GMR生物传感器专用直接数字频率合成器的设计

论文摘要

巨磁阻(GMR)生物传感器是多种学科互相渗透成长起来的高新技术,在基础研究领域及应用领域有其独特的技术价值和科学意义。在GMR生物传感器中,信号发生器作为激励信号源和同步参考信号源,是整个传感器的“心脏”,是决定传感器性能的关键器件。按照GMR生物传感器的要求,传统的信号发生器由于波形精度低,频率稳定性差、功能单一,以及模拟的信号源频率不能精确控制等缺点,已经不能满足实际测试的需要。针对上述问题,本文基于现场可编程门阵列(FPGA)设计出了一款专用于GMR生物传感器的直接数字频率合成器(DDS)。作为激励信号,所设计DDS产生的信号具有频率分辨率高、输出相位噪声低、可以产生多种调制方式等诸多优点;作为同步参考信号,所设计DDS产生的信号能够严格正交,且具有任意波形的功能。同时,基于FPGA来实现DDS比较灵活,更加集成,具有良好的实用性和更高的性价比。本文所设计的DDS采用了复合ROM压缩法和DDS的优化结构,消除了硬件资源有限和相幅转换读取速度受限两方面的瓶颈。为了确定结构参数和评估结构性能,设计中利用虚拟仪器开发软件(LabVIEW)构建了一台虚拟DDS。由于LabVIEW是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境,使得设计和分析更简单和快捷。基于虚拟DDS的仿真结论,采用FPGA实现了DDS的主体部分。而数模转换、滤波、衰减以及选择输出的功能,由后端调理电路实现。通过结合FPGA开发板和信号调理电路实现了任意波形的单路和双路输出,并且巧妙地实现了调频和调相的功能。最后,完成了软件和硬件的设计和调试,其测试结果表明性能指标达到了设计要求,符合实际需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 GMR生物传感器概述
• 1.1.1 GMR生物传感器的优势
• 1.1.2 GMR生物传感器的现状及发展
• 1.2 直接数字频率合成器在GMR生物传感器中的应用
• 1.3 直接数字频率合成器概述
• 1.3.1 直接数字频率合成器的优势
• 1.3.2 直接数字频率合成器的起源与研究进展
• 1.4 本文研究的意义及主要工作
• 第二章 GMR生物传感器的检测原理
• 2.1 GMR生物传感器传感单元的组成
• 2.1.1 免疫磁性微球
• 2.1.2 自旋阀GMR传感器
• 2.2 GMR生物传感器的检测
• 2.2.1 单路GMR生物传感器的检测
• 2.2.2 多路GMR生物传感器的检测
• 第三章 直接数字频率合成器的性能分析及方案设计
• 3.1 直接数字频率合成器的性能分析
• 3.1.1 直接数字频率合成器的工作原理
• 3.1.2 直接数字频率合成器的基本结构
• 3.1.3 直接数字频率合成器的频谱特性
• 3.2 直接数字频率合成器的方案设计
• 3.2.1 改善DDS杂散输出频谱的方法
• 3.2.2 DDS的优化结构
• 3.2.3 虚拟直接数字频率合成器
• 第四章 直接数字频率合成器主体部分的FPGA实现
• 4.1 FPGA器件的介绍
• 4.2 DDS主体部分的实现
• 4.2.1 按键模块的设计
• 4.2.2 任意波形发生模块的设计
• 4.2.3 LED显示模块的设计
• 4.2.4 DDS调制模块的设计
• 第五章 直接数字频率合成器后端调理电路的设计
• 5.1 数模转换器模块的设计
• 5.2 低通滤波器模块的设计
• 5.2.1 九阶椭圆滤波器
• 5.2.2 七阶贝塞尔滤波器
• 5.3 对称网络衰减器模块的设计
• 5.4 印制电路板的设计
• 第六章 系统性能测试
• 6.1 性能指标
• 6.2 测试结果
• 6.2.1 主输出波形
• 6.2.2 主输出波形的频谱图
• 6.2.3 次输出波形
• 6.2.4 对称网络衰减器输出波形的幅度
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果