基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用

作     者：武鹏飞 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李伟

授予年度：2016年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：GMR生物传感器 弱信号检测 锁相放大器 Dsp Builder 

摘      要：弱信号检测是信号检测领域中很重要的一部分,它的应用范围很广,如雷达、地质勘探、声谱光谱探测、环境气体监测、生物样品检测等都属于弱信号检测的应用。检测微弱信号的方法有很多,利用锁相放大器进行弱信号检测就是其中一种常用的方法。而目前常见的通用型锁相放大器,体积较大,价格昂贵,为了适用仪器化的需求,近几年各种专用的锁相放大器的研究受到人们普遍重视。本文以磁珠浓度的定量检测为背景,以FPGA做为技术实现手段,采用相关性原理设计了一款专用数字锁相放大器,并将它用于磁珠检测系统。由于巨磁电阻(Giant Magneto-Resistance,GMR)效应的发现,高灵敏度的GMR传感器也应运而生,通常,人们将用于生物样品检测的GMR传感器、检测电路和免疫磁珠一起统称为GMR生物传感器。它的基本工作原理是:将生物样品与免疫磁珠结合构成生物探针的一部分,另一部分生物探针固定在GMR传感器表面,当GMR传感器表面的生物探针捕获到结合有生物样品的免疫磁珠时,在免疫磁珠产生的微小磁场影响下,GMR传感器的电桥平衡会被打破,产生输出信号。建立输出信号变化量与磁珠浓度之间的对应关系便能完成对生物样品的检测。然而,由于GMR传感器输出的电信号很小,往往被淹没在噪声之中,检测电路若不能有效的将磁珠微弱的输出变化检测出来,对目标生物样本的检测也无从谈起,因此,检测电路能否检测到磁珠对输出变化量的影响是GMR生物传感器进行检测的第一步,其性能将直接决定和制约GMR生物传感器的整体性能。锁相放大技术是微弱信号检测技术当中应用较为广泛的一种,能够检测到信噪比为10的微弱信号,其效果相当于一个中心频率可调且带宽宽度小于0.004HZ的带通滤波器,与窄带滤波法和取样积分与数字式平均法等其他微弱信号检测方法相比,锁相放大技术更加的高效、灵活和稳定。然而,目前市场上的商用锁相放大器需要基于通用性和多功能的考虑,往往设备庞大且价格昂贵,难以适应当今生物检测快捷、廉价、现场检测及易操作等需求。因此,需要设计一款用于磁珠检测系统的专用锁相放大器。本文以磁珠检测为目标,设计了一款磁珠检测专用锁相放大器,并以此为基础构建磁珠检测平台,做了相应的磁珠检测工作。主要工作如下:(1)通过Dsp Builder平台设计了基于FPGA的磁珠检测专用型数字锁相放大器,采用DDS截断算法和改进的并行分布式算法分别完成了参考信号模块和低通滤波器模块的设计;根据实际应用需求,设计了磁珠信号的前置预处理电路,完成放大、滤波和模数转换等相关功能。(2)在设计好的数字锁相放大器为基础加上信号前置预处理电路构成信号检测电路,将信号检测电路、亥姆霍兹线圈、GMR芯片等构建了完成的磁珠检测系统。确定了该实验系统GMR传感器的工作模式,并在GMR传感器的工作模式下测定了GMR传感器的特性曲线。(3)在搭建好的磁珠测试系统上进行磁珠检测实验。实验结果表明:磁珠在15.5高斯直流偏置磁场,0.5高斯和交流激励磁场的工作环境中,磁珠测试系统检测电路能够检测浓度量级为10mg/mL的磁珠溶液引起的微弱输出变化,系统的检测灵敏度为:2.05×***/mg。