本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器在磁珠檢測上的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：弱信號檢測是信號檢測領(lǐng)域中很重要的一部分,它的應(yīng)用范圍很廣,如雷達、地質(zhì)勘探、聲譜光譜探測、環(huán)境氣體監(jiān)測、生物樣品檢測等都屬于弱信號檢測的應(yīng)用。檢測微弱信號的方法有很多,利用鎖相放大器進行弱信號檢測就是其中一種常用的方法。而目前常見的通用型鎖相放大器,體積較大,價格昂貴,為了適用儀器化的需求,近幾年各種專用的鎖相放大器的研究受到人們普遍重視。本文以磁珠濃度的定量檢測為背景,以FPGA做為技術(shù)實現(xiàn)手段,采用相關(guān)性原理設(shè)計了一款專用數(shù)字鎖相放大器,并將它用于磁珠檢測系統(tǒng)。由于巨磁電阻(Giant Magneto-Resistance,GMR)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),高靈敏度的GMR傳感器也應(yīng)運而生,通常,人們將用于生物樣品檢測的GMR傳感器、檢測電路和免疫磁珠一起統(tǒng)稱為GMR生物傳感器。它的基本工作原理是:將生物樣品與免疫磁珠結(jié)合構(gòu)成生物探針的一部分,另一部分生物探針固定在GMR傳感器表面,當(dāng)GMR傳感器表面的生物探針捕獲到結(jié)合有生物樣品的免疫磁珠時,在免疫磁珠產(chǎn)生的微小磁場影響下,GMR傳感器的電橋平衡會被打破,產(chǎn)生輸出信號。建立輸出信號變化量與磁珠濃度之間的對應(yīng)關(guān)系便能完成對生物樣品的檢測。然而,由于GMR傳感器輸出的電信號很小,往往被淹沒在噪聲之中,檢測電路若不能有效的將磁珠微弱的輸出變化檢測出來,對目標(biāo)生物樣本的檢測也無從談起,因此,檢測電路能否檢測到磁珠對輸出變化量的影響是GMR生物傳感器進行檢測的第一步,其性能將直接決定和制約GMR生物傳感器的整體性能。鎖相放大技術(shù)是微弱信號檢測技術(shù)當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的一種,能夠檢測到信噪比為10~(-5)的微弱信號,其效果相當(dāng)于一個中心頻率可調(diào)且?guī)拰挾刃∮?.004HZ的帶通濾波器,與窄帶濾波法和取樣積分與數(shù)字式平均法等其他微弱信號檢測方法相比,鎖相放大技術(shù)更加的高效、靈活和穩(wěn)定。然而,目前市場上的商用鎖相放大器需要基于通用性和多功能的考慮,往往設(shè)備龐大且價格昂貴,難以適應(yīng)當(dāng)今生物檢測快捷、廉價、現(xiàn)場檢測及易操作等需求。因此,需要設(shè)計一款用于磁珠檢測系統(tǒng)的專用鎖相放大器。本文以磁珠檢測為目標(biāo),設(shè)計了一款磁珠檢測專用鎖相放大器,并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建磁珠檢測平臺,做了相應(yīng)的磁珠檢測工作。主要工作如下:(1)通過Dsp Builder平臺設(shè)計了基于FPGA的磁珠檢測專用型數(shù)字鎖相放大器,采用DDS截斷算法和改進的并行分布式算法分別完成了參考信號模塊和低通濾波器模塊的設(shè)計;根據(jù)實際應(yīng)用需求,設(shè)計了磁珠信號的前置預(yù)處理電路,完成放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等相關(guān)功能。(2)在設(shè)計好的數(shù)字鎖相放大器為基礎(chǔ)加上信號前置預(yù)處理電路構(gòu)成信號檢測電路,將信號檢測電路、亥姆霍茲線圈、GMR芯片等構(gòu)建了完成的磁珠檢測系統(tǒng)。確定了該實驗系統(tǒng)GMR傳感器的工作模式,并在GMR傳感器的工作模式下測定了GMR傳感器的特性曲線。(3)在搭建好的磁珠測試系統(tǒng)上進行磁珠檢測實驗。實驗結(jié)果表明:磁珠在15.5高斯直流偏置磁場,0.5高斯和交流激勵磁場的工作環(huán)境中,磁珠測試系統(tǒng)檢測電路能夠檢測濃度量級為10~(-5)mg/mL的磁珠溶液引起的微弱輸出變化,系統(tǒng)的檢測靈敏度為:2.05×105mv.mL/mg。
【關(guān)鍵詞】：GMR生物傳感器 弱信號檢測 鎖相放大器 Dsp Builder
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN791;TN722;TN911.23
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 課題的背景及研究意義9-10
• 1.2 鎖相放大器的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀10-12
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容12-13
• 2 弱信號檢測的基本原理13-17
• 2.1 常見噪聲分類與信噪改善比（SNIR）13
• 2.2 微弱信號檢測原理13-14
• 2.3 常見的微弱信號檢測技術(shù)14-16
• 2.4 本章小結(jié)16-17
• 3 磁珠檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計17-28
• 3.1 磁珠檢測系統(tǒng)17-18
• 3.2 自旋閥GMR傳感器工作原理18-22
• 3.2.1 自旋閥GMR簡介18-19
• 3.2.2 自旋閥傳感器的工作模式19-20
• 3.2.3 自旋閥GMR傳感器的結(jié)構(gòu)20-22
• 3.3 鎖相放大器的基本原理22-26
• 3.3.1 自相關(guān)檢測22-23
• 3.3.2 互相關(guān)檢測23-24
• 3.3.3 信號的相關(guān)解調(diào)24-26
• 3.4 鎖相放大器的構(gòu)成26-27
• 3.5 本章小結(jié)27-28
• 4 數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計28-43
• 4.1 DSP Builder簡介28-30
• 4.2 正交信號發(fā)生器的設(shè)計30-32
• 4.2.1 DDS原理簡介30-31
• 4.2.2 DDS的Dsp Builder實現(xiàn)31-32
• 4.3 分布式低通濾波器的設(shè)計32-37
• 4.3.1 FIR的基本概念32-33
• 4.3.2 分布式算法33-35
• 4.3.3 分布式算法低通濾波器的Dsp Builder實現(xiàn)35-37
• 4.4 數(shù)字鎖相放大器前置電路的的設(shè)計37-41
• 4.5 其他模塊功能設(shè)計41-42
• 4.6 本章小結(jié)42-43
• 5 硬件仿真與測試43-53
• 5.1 Dsp Builder的硬件環(huán)HIL仿真43-44
• 5.2 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）的HIL硬件仿真44-46
• 5.3 基于分布式算法FIR數(shù)字低通濾波器的的HIL硬件仿真46-47
• 5.4 鎖相放大器前置電路的性能測試47-50
• 5.4.1 放大電路及帶通濾波器電路的性能測試48
• 5.4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路測試48-50
• 5.5 磁珠檢測電路的硬件仿真與改進50-52
• 5.6 本章小結(jié)52-53
• 6 實驗結(jié)果及分析53-59
• 6.1 自旋閥GMR傳感器的特性測試53-54
• 6.2 磁珠檢測電路的性能測試54-55
• 6.3 磁珠濃度配比實驗55-56
• 6.4 磁珠檢測實驗56-57
• 6.5 本章小結(jié)57-59
• 7 總結(jié)與展望59-60
• 7.1 總結(jié)59
• 7.2 展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻61-64
• 附錄64
• A.作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文的目錄64

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  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器在磁珠檢測上的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：452281