（生物医学工程专业论文）多功能细胞生理自动分析仪电路设计.pdf

a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e sh a r d w a r ea n df i r m w a r ed e s i g no ft h em u l t i f u n c t i o nc e l l p h y s i o l o g i c a la n a l y s i si n s t r u m e n tb a s e do nt h ei n t e g r a t e dc h i pf o rt h er e c o r d i n go f e x t r a c e l l u l a re l e c t r o p h y s i o l o g i c a ls i g n a l sw h i c hi s d e s i g n e di n d e p e n d e n tb y o u r l a b o r a t o r y t h i si n s t r u m e n ti su s e dt od e t e c tt h er e s p o n s es i g n a l so ft h em i c r o e l e c t r o d ea r r a y l i g h t a d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o ra n di n t e r d i g i t a t e ds e n s o r b e c a u s eo ft h e f e e b l e e l e c t r o p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s es i g n a lo ft h ec e l l u l a rs e n s n o r t h el o c k i n t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ei n s t r u m e n tf o rd e t e c t i n gt h ef e e b l ec u r r e n t b o t ha n a l o g l o c k i na m p l i f i e ra n da s i c m c uf o r d i g i t a l l o c k i n a m p l i f i e ra r eu s e d t h ea n a l o gl o c k i na m p l i f i e ri sa p p l i e dt od e t e c tt h er e s p o n s eo ft h el a p s d d s t e c h n o l o g yi s u s e dt ob u i l d u pt h ed u a lo r t h o g o n a ls i g n a ls o u r c e al o w c u r r e n t m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nl o wi n p u tb i a sc u r r e n to p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sa l s o i n c l u d e d t h ec o r eo ft h el o c k i n a m p l i f i e r u s e sa h i g h p r e c i s i o n m o d u l a t o r d e m o d u l a t o rt oc o m p l e t em u l t i p l i c a t i o nd e m o d u l a t o ra n dal o w p a s sf i l t e r w h i c hi su s e dt of l i to u tt h ed cs i g n a l h i g hp r e c i s i o n a a d ci su s e df o ra n a l o gt o d i g i t a lc o n v e r s i o n t h em c uc o m m u n i c a t i o nw i t hp cb yu a r to ru s bp o r t a n dt h e b i a sg e n e r a t o rf o rl a p ss e n s o rc o n s i s t so fh i 曲r e s o l u t i o nd a ca n dh i g hc u r r e n t b u f f e ra m p l i f i e r t h e d i g i t a ll o c k i na m p l i f i e ri su s e df o rd e t e c t i n gt h er e s p o n s eo fi n t e r d i g i t a t e d s e n s o r t h es y s t e mi sb a s e do nt h es i n g l ec h i pi m p e d a n c ec o n v e r t e ra d 5 9 3 3 s p e c i a l a t t e n u a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e df o ri n t e r d i g i t a t e ds e n s o r a n dt h em s p 4 3 0m c ui s u s e dt oc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n s t r u m e n ta n dp c t h ef i r m w a r ei sb a s e do ni r t c o s i ir e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m t h e d d s a d c d a ca n do t h e r w i s ep e r i p h e r a ld e v i c e d r i v e ra n dd a t a c o l l e c t i o n t r a n s m i s s i o n c o m m u n i c a t i o na r ec o m p l e t e du n d e rt h em u l t i t a s kc o n d i t i o n t h ep r o t o t y p eh a sb e e nf u l l yc h e c k e da n dt h er e s u l ts h o w st h a ta l l a s p e c t so f h a r d w a r er e a c ht h er e q u i r e m e n t k e y w o r d s c e l l u l a rs e n s o r i n t e g r a t e dc h i p f e e b l es i g n a ld e t e c t i n g l o c k i n a m p l i f i e r i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 签字日期 2 0 万年歹月 r 莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 迸 江盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝垄盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播 可以采用影 印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 霹道勿 签字日期 归反珏f 月1 6 日 导师签名 签字日期 p p 年 rl 6 月 6 日 致谢 首先真诚感谢我的导师王平教授给予我的谆谆教导和热诚帮助 他严谨的治 学态度 渊博的学识 开阔的思路 敏锐的科研思维 忘我的工作精神 踏实的 工作作风 让我懂得怎么做学问 培养了我正确的科学方法和严谨的科研态度 这将使我受益终身 感谢李蓉副教授在实验工作中给予我们的帮助支持和生活上的关怀 特别感谢蔡华和陈星同学在课题完成工作中给予热情的帮助和耐心的指导 感谢我们课题组的王君 余辉 胡朝颖 肖丽丹等同学 我们在一起学 j 工作 讨论 大家团结协作 共同克服困难 组成了一个良好的团队 感谢实验室的刘清君 徐莹 宗小林 吴春生 王丽江 陈培华 路德纪 徐凤娟 张威 周俊等同学 我们在一起形成了良好的学 j 和工作氛围 最后向一直支持我的父母和家人致以我最诚挚的谢意 是他们一直鼓励我向 更高的目标前进 浙江大学硕士学位论文绪论 1 第一章绪论 1 1 细胞传感器简介 细胞是人体和其它生物体的基本结构单位 体内所有的生理功能和生化反 应 都是在细胞及其产物的物质基础上进行的 1 1 细胞传感器定义为 使用固定 化的生物活体细胞 i m m o b i l i z e dc e l l s 结合传感器或换能器 用来检测胞内或胞外 的微环境微生理代谢化学物质 细胞动作电位变化或与免疫细胞等起特异性交互 作用后产生响应的一种装置 细胞传感器由两个主要关键部份所构成 一为来 自于活体细胞 该部分为细胞传感器信号接收或产生部份 另一部分属于传感器 件或硬件仪器组件部份 主要为物理信号转换组件 2 1 细胞传感器需要将细胞的生理变化转换为电信号以便检测 而细胞间和细胞 内的通信 是依靠细胞膜上的离子通道进行的 离子和离子通道是细胞兴奋性的 基础 也是产生生物电信号的基础 这使得制作细胞传感器成为可能 对于生物 电信号通常用电学或电子学方法进行测量 并形成了一门细胞电生理学 e l e c t r o p h y s i o l o g y 学科 用以揭示细胞的生理过程 用电生理方法记录电活 动 可记录胞外的电位 自细胞膜和离子学说的建立后 细胞电活动的研究逐渐 深入 在1 9 7 6 1 9 8 1 年期间 两位德国细胞生物学家e r w i n n e h e r 和b e r ts a k m a n n 所开创的膜片钳技术 p a t c hc l a m pt e c h n i q u e 为细胞生理学的研究带来了一场革 命性的变化 使我们可以对细胞膜和膜上离子通道 离子泵的活动进行定量分析 研究 随着细胞培养技术和半导体微细加工技术的发展 以活细胞作为敏感元件 的细胞传感器和神经芯片 已成为生物传感器研究领域的一大热点 活细胞作为 传感器的敏感元件 对于很多可以引起细胞电化学状态变化的物质 都具有高度 敏感性 而半导体器件的惰性可以提供一种稳定 无损 长时间的监测 l 1 2 细胞传感器发展状况 1 9 9 1 年 f r o m h e r z 等人用集成的晶体管作为敏感元件 代替早期的裸露的 浙江大学硕士学位论文 绪论 金属电极 使用硅基底和标准集成电路制备工艺 将单个神经元耦合在一个裸露 无金属栅的 的f e t 上 用体视显微镜和一个玻璃微吸管将细胞吸到晶体管 位置 玻璃微电极插入到细胞膜内 用来刺激细胞并记录细胞胞内的电压 1 1 9 0 年代 美国分子器件公司 m o l e c u l a rd e v i c ec o r p o r a t i o n 把芯片技术引 入生物学领域 开发出细胞微生理计 c y t o s e n s o rm i c r o p h y s i o m e t e r 用建立在 硅技术基础上的传感器检测细胞酸化的微环境 细胞由于能量代谢产生酸性物 质 使外环境酸化 利用光寻址电位传感器 l a p s 可以测量细胞外微环境的 p h 值变化 定量计算细胞质子排出速率 从而可以分析细胞的代谢率 目前 国际上采用细胞芯片技术代替膜片钳等传统技术的研究已经开始出 现 如因发明膜片钳而获得诺贝尔奖的德国的e r w i n n e h e r 在n a t u r e 上撰文分析 了采用半导体器件检测活细胞生理特性的技术发展前景 s t r a u b 等一些著名的学 者研究活细胞与微电子技术相结合分析仪器 并取得了快速的发展 电子和微加 工技术的快速发展 推动了用于监测细胞电生理活动的芯片技术的进步 胞外微 电极阵列 m i c r oe l e c t r o d ea r r a y m e a 提供了一种长期无损监测细胞电活动的 方法 通过一个高通量通道 把从具有电活性细胞构成的神经网络中获得的数据 传输出来 2 1 浙江大学硕士学位论文多功能细胞生理参数自动分析仪介绍 2 第二章多功能细胞生理参数自动分析仪介绍 2 1 细胞生理检测集成芯片 胞外信号检测方法由于可以实现无损 长时程的测量而受到越来越多的关 注 相关的技术发展也日新月异 比如商用的微电极阵列 m e a 光寻址电位 传感器 l a p s 细胞电阻抗测量等等 但是 在进行细胞生理实验时 对单一 参数的监测往往只能从某一方面反映出细胞的生理活动 而测试环境的复杂性 各种噪声源 长期测试后培养液对电极的腐蚀等 会干扰测试的结果 所以对 细胞生理活动的机理的揭示则需要同时对多种相关的生理参数进行综合分析才 能完成 目前 现有仪器或器件功能单一 指标不够稳定 信噪比较低 参考对 照方法较少 且不能实现多参数同时检测 成为细胞生理分析快速发展的瓶颈 为此 我们实验室设计了一种集成了微电极阵列传感器 m i c r o e l e c t r o d ea r r a y m e a 光寻址电位传感器 1 i g h t a d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o r l a p s 和叉指 型细胞一阻抗传感器 i n t e r d i g i t a t e ds e n s o r i d a 三种传感器的新型细胞生理检 测集成芯片 能够同时检测细胞在器件上的贴壁生长状态 动作电位以及细胞新 陈代谢产物中多重离子的浓度 用于实现多参数的同时并行检测 图2 1 集成芯片设计 2 通过入微流控装置控制培养液 药物以及新陈代谢产物的流向 培养液或药 浙江大学硕士学位论文多功能细胞生理参数自动分析仪介绍 物首先流过i d a 单元 通过电阻抗变化来反映出细胞在培养液或药物环境下的 生长状况 为后面的动作电位以及新陈代谢产物的检测提供细胞生存生理状态参 数 然后培养液或药物流入到中间的m e a 区域 可以进行药物刺激下细胞动作 电位的检测 m e a 区域流出液进入l a p s 区域进行细胞在药物刺激下代谢产物 中各种离子的浓度变化检测 系统各部分同时工作 可利用微流控装置控制流向 和速度 从而可以按一定顺序连续监测细胞从正常生理状态到药物刺激下的形态 变化 动作电位以及代谢物质的改变 2 2 基于集成芯片的多功能细胞生理参数分析仪器 在细胞传感器芯片 细胞微生理计研究的基础上 研制基于芯片技术的用于 细胞生理检测的多功能细胞微生理参数分析仪器 实现分析检测样品的少样本及 自动进样以及同时快速检测多细胞 单细胞胞外的多种离子 神经递质等多种细 胞生理代谢参数成为可能 我们实验室自主研究的多功能细胞生理参数自动分析仪器正是基于集成芯 片 检测集成芯片上i d a m e a l a p s 传感器的输出的多种细胞生理信号 仪 器简图如图2 2 所示 通过电脑控制泵的通断和转速完成培养液和药物的自动注 射以及废液的清洗 由专门的控温模块对试验的环境温度进行严格的控制使得其 维持在细胞最适合生长的温度 当药物经过i d a 传感器时细胞阻抗的变化由数 字锁相放大电路检测到并传送给p c 机 随后药物经过m e a 传感器其输出信号 由多通道放大器采集得到并传送给p c 机计算出细胞的动作电位 最后药物流向 多光源l a p s 单元 细胞代谢的离子由微弱电流检测模拟锁相放大器检测得到并 传送至p c 机 在整个生理采集信号的过程中可以对数据进行自动分析和显示 与传统的分析仪器相比 该分析仪器除了体积小以外 还具有分析时间短 样品消耗少 能耗低 效率高等优点 可广泛用于生物医学检测 此外 由于采 用了微机械加工制作技术 有利于传感器的微型化 利用该仪器 研究者可以方 便地开展细胞在刺激物 如药物作用下细胞的实时动态响应过程 有毒有害物质 的检测 研究细胞网络的信号传导过程 加深对细胞生理过程的认识 构造具有 仿生芯片和信号处理系统 对实现未来的细胞神经功能损伤的修复以及仿生芯片 等医学领域的应用等将起到积极的推动作用 浙江大学硕士学位论文多功能细胞生理参数自动分析仪介绍 2 3 课题任务和论文工作 图2 2 仪器示意简图 课题任务 研制出同时检测细胞外多种离子以及细胞动作电位 细胞阻抗的 新型集成细胞芯片 在此基础上 研制出在关键技术 核心技术上拥有自主知识 产权的新型细胞生理自动分析仪 为高水平 深层次的科学研究提供崭新的技术 手段 为新型传感器芯片和生命科学分析仪器的发展提供强有力的技术支撑 论文主要完成了以下工作 对于l a p s 电路检测采用了d d s 技术来完成了 频率可调高精度双路正交信号源 采用低偏置电流运放构成微电流采样系统 并 分析了微弱电流采样技术 相敏检测电路使用高精度调制解调器完成乘法解调后 利用低通滤波器滤出所需的直流信号 使用高精度的 a a d c 完成信号由模拟 到数字的转换 通过单片机将采集到的数据通过串口或者u s b 接口发送给上位 机分析和显示 单片机也通过串口或u s b 接口接收p c 发送的控制命令进行刺 激频率范围设置 频率步进等 设计了由高性能d a c 和高速大电流缓冲放大器 组成偏置电压稍描电路 以a d i 公司的a d 5 9 3 3 集成阻抗转换芯片为核心构件 了i d a 传感器输出检测电路 结合细胞一阻抗传感器需要微弱电压刺激的特点 设计了专门的电压衰减电路 对于信号的放大则采用了与l a p s 电路相似的微弱 电流采样技术 采用了t i 公司生产的m s p 4 3 0 单片机来完成整个系统的控制及 与p c 机的通讯 编写了仪器的下位机固件 固件中采用了g c o s i i 实时操作系 浙江大学硕士学位论文多功能细胞生理参数自动分析仪介绍 统 在其基础上完成了d d s a d c d a c 等外围器件的驱动编写和多任务下整 个系统的数据采集 传送 通讯工作 m e a 传感器的信号检测采用了现成的n i 采集卡 故其硬件设计不在本文的讨论范围内 6 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 3 第三章l a p s 检测系统 3 1 光寻址电位传感器简介 1 9 8 8 年h a f e r m a n 将表面光电压 s u r f a c ep h o t o v o l t a g e s p v 测量技术引入 电解液 绝缘层 半导体 e l e c t r o l y t e i n s u l a t o r s e m i c o n d u c t o r e i s 结构 提出光寻 址电位传感器 l i g h ta d d r e s s a b l ep o t e m i o m e t r i cs e n s o r l a p s 自从l a p s 问世 至今短短的二十多年中 l a p s 已成功应用于酶标免疫分析系统和体外实时监测 活细胞代谢活性的微生理计 1 1 i 敏寥膜 绝缘层 耗尽层 n 型硅 图3 1l a p s 的基本结构 l a p s 的基本结构有电解质 绝缘层 硅 e l e c t r o l y t e i n s u l a t i o n s i l i c o n e i s 和金属 绝缘层 硅 m e t a l i n s u l a t i o n s i l i c o n m i s 两种 e i s 结构和m i s 结构的 不同之处在于敏感层 e i s 结构是离子敏l a p s 一般用于液体的测量 而m i s 结构是气敏l a p s 一般用于气体的测量 图2 1 为l a p s 的基本结构示意图 l a p s 的基本原理是 当半导体受到一定波长的光照射时 半导体吸收光子 发 生禁带到导带的跃迁也就产生了电子空穴对 在一般情况下 电子空穴对很快地 复合 在外电路中就测不到电流 但如果在l a p s 外加反向偏置电压时 n 型硅 加负压 p 型硅加正压 半导体中产生耗尽层 这时靠近耗尽层的电子空穴对 就被耗尽层拉开 当固定光强时 就会产生光电压 采用强度调制的光照射在 l a p s 器件的正面或背面 就可以在外电路中测量到电流 电流的大小 与光强 耗尽层的厚度 即外偏压 等有关 当固定其他参数 只考虑敏感膜与被测物的 响应电压对耗尽层的影响 那么外电流大小的变化就反映了膜的响应 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 描述外电流与偏压关系的曲线就是l a p s 的i v 特性曲线 图3 2 所示是p 型硅基底的l a p s 测试p h 的i v 特性曲线的示意图 特性曲线可以分成饱和 区 过渡区和截止区 光电流随耗尽层的增厚而减小 也就是说随外加偏压的增 大 外电路上的电流从最大值 饱和区 线性减小 过渡区 达到接近零 截 止区 对于n 型硅l a p s 的特性曲线与此相反 铷和防过硅区镬止区 葛 堰 删 裳 侗压 单位v 图3 2l a p s 的i v 特性曲线 l a p s 的测量系统如图3 3 所示 在特定偏置电压和特定频率的光源激发下 通过l a p s 的电流会根据敏感离子的不同而产生变化 电流的频率与激发光 源的频率相同 当固定其他参数时 电流的大小仅与离子浓度相关 恒流 恒电 位仪 p o t e m i o s t a t g a l v a n o s t a t 是该检测系统的核心 用于测量l a p s 纳安级的 响应电流 光源 图3 3l a p s 的测量系统 3 1 1l a p s 在生物信号测量中的应用 细胞内生理状态的改变 会引起细胞外代谢物 如离子 生物大分子等 的 相应变化 因此 测量细胞代谢后胞外微环境的相关参数 可以间接监测细胞的 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 生理变化 9 0 年代 美国分子器件公司 m o l e c u l a rd e v i c ec o r p o r a t i o n 把芯片 技术引入生物学领域 开发出细胞微生理计 c y t o s e n s o rm i c r o p h y s i o m e t e r 用 建立在硅技术基础上的传感器检测细胞酸化的微环境 细胞由于能量代谢产生酸 性物质 使外环境酸化 利用光寻址电位传感器 l a p s 可以测量细胞外微环 境的p h 值变化 定量计算细胞质子排出速率 从而可以分析细胞的代谢率 这 种方法对糖酵解和呼吸作用的代谢过程都适用 2 1 近年来细胞微生理计在结构 检测分析技术 应用等方面都有很大的发展 但在功能上还主要是检测细胞外的h 变化 而在药物筛选 病毒检测等领域 常常需要高通量 快速 同时检测刺激物作用细胞后引起细胞外多种离子及成分 的变化 近年来有科学家利用包含细胞的光可寻址电位传感器 l i g h ta d d r e s s a b l e p o t e n t i o m e t r i cs e n s o r l a p s 而不是电极来测试细胞胞外的p h 值 以此综合表 征细胞的新陈代谢 3 这种传感器系统的示意图如图3 4 在硅衬底上腐蚀出小 井 培养上细胞 首先覆盖合适的培养基 在小井背面采用l e d 扫描 并通过 脉冲激光激励在硅中产生电子一空穴对 光生载流子将使电解质电容充电 根据 结果显示的交流信号就可以计算出p h 值 因为可以用p h 推断出细胞的新陈代 谢变化 所以这一器件可以间接用于估算药品检测和筛选 以及毒素测定中一些 重要参数的值 目前 国外许多研究人于对于l a p s 细胞传感器的研究 都是在 这种微生理计的基础上进行的 图3 4 基于胞外p h 值测量的微生理计示意图 在我们的系统中集成芯片中的l a p s 单元是一个完整的生物测定的系统 可 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 以看作是观察细胞生长 测定生化变化的技术 也是测量胞外电位 电流变化的 技术 除少数情况外 通常细胞由于能量代谢产生酸性产物而使环境酸化 通过 能量代谢的方式产生的h 与细胞a t p 的消耗密切关联 一些重要的细胞代谢 过程 即糖 氨基酸和脂肪酸的分解代谢 产生的h 离子 通过细胞膜排出胞 外 从而引起细胞外p h 值的变化 在大多数情况下 这种变化足可用细胞微生 理计进行测定 进而研究细胞生理新陈代谢和由细胞毒性病原体作用决定的病理 4 3 2l a p s 检测系统电路设计 从功能上划分 l a p s 检测系统可以划分为以下两个主要模块 微弱电流信 号检测系统 偏压 扫描 电路 对于微弱信号的检测我们采用了锁相放大器来完 成 3 2 1 锁相放大器简介 测量技术的发展 始终是围绕着两个问题逐渐解决和提高的 即所谓速度和 精度 锁相放大器作为微弱信号精确测量的一种重要手段 在这两方面具备较大 优势 无论速度 还是精度 都可以根据特殊需要进行最适当的匹配 在测量中噪声是限制和影响测量灵敏度 精确性和重复性的重要因素 对微 弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声 散粒噪声所形成的白噪声和 1 f 的低频噪声 这些噪声是无法通过屏蔽等措施消除的 为了减少噪声对有用 信号的影响 常使用窄带滤波器滤除通带外的噪声 以提高信噪比 但是由于一 般滤波器的中心频率不稳定 且它的带宽与中心频率及滤波器品质因数q 有关 等原因 使它不能满足更高的滤除噪声的要求 锁相放大器采用互相关接收技术 使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级 另外还可以用以斩波技术 把低频 以至直流信号变成高频交流信号后进行处理 从而避开了低频段的1 f 噪声的影 响 自从1 9 2 8 年约翰逊 j o h n s o n 对热骚动电子运动产生的噪声进行研究以来 大量科学工作者对信号的检测做出了重要贡献 尤其是近三十年来 更加取得了 突猛进的发展 测量的极限不断低于噪声的量级 1 9 6 2 年美国p a r c 第一台相 l o 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 干检测的锁相放大器问世 使检测的信噪比瞬间提高到1 0 0 0 而到上世纪八十 年代初 信噪比则提高到1 0 6 目前国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽在 馘 1 0 h z 数量级 如果工作频率f 1 0 0 k h z 仿照通常带通滤波器q 值的定 义 那么锁相放大器的等效q 值为q 六 正大约在1 0 8 数量级 这是常规的 滤波器无法达到的 在锁相放大器中被测量信号与参考信号是严格同步的 它不 存在频率稳定性的问题 所以可以把它看成一个 跟踪滤波器 它的等效q 值 由低通滤波器的积分时间常数决定 所以对元件和环境的稳定性要求不高 5 1 锁相放大器使得过去曾被认为不可测量的微观现象或微弱相互作用所体现 的弱信号 现已成为可能 这大大推动了物理学 天文学 医药学 生物学 化 学以及广泛的工程技术科学领域的发展 锁相放大器技术也作为新兴的分支技术 领域被更多科研工作者所重视 6 3 2 2 锁相放大器工作原理及分类 r e f e r e n c e 日 i厂 i s i g n a l 厂 够 l i j 厂 厂 厂 鞫u l o c k i nr e f e r e n c e 图3 5 锁相放大器中的参考信号和调制信号 锁相测量需要一个参考频率 通常情况下锁相放大器自身提供了信号源用于 激励被测目标 实验目标的响应信号与激励信号的频率相等 锁相放大器同时生 成相同频率的信号做为参考信号用于测量激励响应 如图3 5 所示外部基准信号 r e f e r e n c e 为l 一频率为u 的方波 假设其为波形发生器的同步信号 由此波形发 生器生成正弦信号激励实验装置 其响应信号为 s i g n a l 可以表示为 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 v s gs i n w f 吃喀 而锁相放大器会由外部基准信号产生对应的正弦波作为参考 信号 l o c k i nr e f e r e n c e 其可表示为圪s i n w l t 0 l 锁相放大器先将响应信号 放大 并利用p s d 将它与参考信号相乘 因此p s d 的输出为 v ls i n c o s i n 慨 互1v 曙圪c s 一缈 一 一兰 圪c s 缈 2 1 可见此p s d 输出信号包含两个不同频率的交流信号 一为和频信号缈 c 一为 差频信号缈 一缈c 若匕耐经过一个低通滤波器 则一般情况下将没有任何信号输 出 因为所有交流信号都被滤除了 当u u 时 经低通滤波的器的输出信号 为 1 圪 丢k 喀圪c o s 一 j 2 2 输出为直流分量 幅度正比于待测信号的幅度 但是同时输出信号的幅度也依赖 于待测信号与参考信号之间的相位差 p s d 输出中除了包含待测信号圪 外 还包含噪声信号k 经过低通滤波器后 仅输出与参考频率相等的信号 而噪声信号经过p s d 后 无论是和频信号 船 o j r q 还是差频信号 牌一u 耐 经过低通滤波器后都将被滤除 当然在 真实情况中与参考考频率接近的噪声信号仍会通过低通滤波器 其衰减程度取决 于后端低通滤波器的带宽和衰减速度 或积分器的时间常数 7 1 近年来 随着d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 简称d s p 技术的飞速发展及 d s p 的广泛应用 为锁相放大器系统中相关器的设计提高了一条新的途径 可以 d s p 为核心 将通过高速a d 转换电路获得的数字信号序列与d s p 内部合成参 考信号作各种相关器算法的运算 并最终获得测量结果的数字值 传统的锁相放 大器采用了模拟电路设计实现 其过程为输入信号与参考信号分别通过信号通道 及参考通道 然后进入由模拟乘法器及模拟低通滤波器组成的相敏检波器 最后 将结果输出 在这样的测量系统结构下 低通滤波器有可能成为系统速度的瓶颈 低通滤波器建立时间比较长 当阶数和截止频率确定后 建立时间也随之确定 速度不受控制 也很难提高 此外模拟滤波器和模拟乘法器由于受到模拟器件自 身精度的限制和电路板卡设计等诸多因素的干扰 也存在着精度问题 相比于数 字锁相放大器 模拟锁相放大器虽然速度快 但是参数稳定性和灵活性差 且在 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 与微处理器通讯的时候需要转换电路 但是 数字锁相放大器自身也存在一些的 问题 传统数字锁相放大器通常使用高速a d c 对信号进行高速采样 然后使用 比较复杂的算法进行锁相运算 这对微处理器的速度要求非常高 系统的反应时 间也比较慢 高速系统对电路板设计上也提出了更高的要求 6 这些都是急待改 进的 模拟锁相与数字锁相放大器各有特点 在我们的系统中在以前试验室的相关 基础之上完成了模拟锁相放大器的设计 系统的具体框图如下 3 2 3 系统主控单元 图3 6 系统框图 系统的主控单元采用了t i 公司的高性能m s p 4 3 0 单片机 m s p 4 3 0 系列单 片机德州仪器 t i 1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器 m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r 其针对实际应用需求 把许多模拟电路 数字电路以 及微处理器集成在一个芯片上 提供片上系统级 s o c 的解决方案 浙江大学硕士学位论文 l a p s 检测系统 图3 7m s p 4 3 0 内部结构框图 8 m s p 4 3 0 单片机的特点 9 强大的处理能力m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机 采用了r i s c 结构 具有丰富的寻址方式 7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 2 7 条内核指令以及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数据存储器都可参 加多种运算 还有高效的查表处理指令 有较高的处理速度 在8 m h z 晶体驱 动下指令周期为1 2 5 n s 1 6 位的数据宽度 1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件 乘法器 能实现乘加 相配合 能实现数字信号处理的某些算法 如f f t 等 电源采用的是1 8 3 6 v 供电 因而可使其在1 m h z 的时钟条件下运行 时 芯片的电流会在2 0 0 4 0 0 u a 左右 时钟关断模式的最低功耗只有o 1 u a 独特的时钟系统设计 在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统 基 本时钟系统和锁频环 f l l 和f l l 时钟系统或d c o 数字振荡器时钟系统 有的使用一个晶体振荡器 3 2 7 6 8 h z 有的使用两个晶体振荡器 由系统时钟 系统产生c p u 和各功能所需的时钟 并且这些时钟可以在指令的控制下 打开 和关闭 从而实现对总体功耗的控制 系统运行时打开的功能模块不同 采用不同的工作模式 芯片的功耗有着显 著的不同 在系统中共有一种活动模式 a m 和五种低功耗模式 l p m o 浙江大学硕士学位论文 l a p s 检测系统 l p m 4 在等待方式下 耗电为o 7 u a 在节电方式下 最低可达0 1 u a m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设 包括看门狗 w d t 模拟比较器a 定时器a t i m e r a 定时器b t i m e r b 串 口0 1 u s a r t 0 1 硬件乘法器 液晶驱动器 1 0 位 1 2 位a d c 1 2 c 总线直接数据存取 d m a 端口0 p 0 端口l 一6 p 1 p 6 基本定时器 b a s i c t i m e r 等的一些外围模块的不同组合 看门狗可以使程序失控时迅速复位 模 拟比较器进行模拟电压的比较 配合定时器 可设计出a d 转换器 1 6 位定 时器 t i m e r a 和t i m e r b 具有捕获 比较功能 大量的捕获 比较寄存器 可用于事件计数 时序发生 p w m 等 有的器件更具有可实现异步 同步及多 址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用 具有较多的i o 端口 最 多达6 8 条i 0 口线 p o p 1 p 2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中 断输入 1 2 1 4 位硬件a d 转换器有较高的转换速率 最高可达2 0 0 k b p s 能够 满足大多数数据采集应用 实现两路的1 2 位d a 转换 硬件i i c 串行总线接口 实现存储器串行扩展 以及为了增加数据传输速度 而采用直接数据传输 d m a 模块 m s p 4 3 0 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大 的方便 方便高效的开发环境 对于f l a s h 型的m s p 4 3 0 单片机有十分方便的开发 调试环境 通过器件片内有j t a g 调试接口和可电擦写的f l a s h 存储器 因此 采用先下载程序到f l a s h 内 再在器件内通过软件控制程序的运行 由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发不需要仿真器和编程器 开 发语言有汇编语言和c 语言 适应工业级运行环境m s p 4 3 0 系列器件均为工业级的 运行环境温度为 4 0 8 5 摄氏度 所设计的产品适合用于工业环境下 在我们的仪器中选用了m s p 4 3 0 f 1 6 11 作为主控制器 其8 m i p s 的处理能力 并且提供i o k 的片上r a m 为大量数据临时存储和运行实时操作系统 r t o s 提供了可能 同时其丰富的外设也简化了电路的设计 最小系统的电路十分简单 只需外接复位芯片 晶振 电源即可运行 再外 加一个1 4 针的j t a g 调试接口就可以进行调试和开发 十分方便 浙江大学硕士学位论文 l a p s 检测系统 3 2 4 信号发生器 图3 8 单片机最小系统 对于系统的信号源我们采用d d s 的方式来完成 d d s 简介 从2 0 世纪3 0 年代末频率合成技术开始建立 频率合成在电子系统中已成不 可缺少的部分 现在主要包括三种基本技术 1 直接式频率合成 d s 2 锁相 环式频率合成 p l l 也叫间接式频率合成 3 直接数字式频率合成 其中直接 式频率合成的频率转换速度快 输出频带宽 可达上千兆赫 频率分辨率可达微 赫兹量级 但由于非线性器件引入的杂波成分较多而且很复杂 因此需要大量的 滤波器 锁相环式频率合成结构简单 易于集成 输出频带宽 频谱纯度好 但 1 6 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 锁相环本身是一个闭环的反馈系统 所以鉴相频率 频率分辨率 与频率转换时间 的矛盾难以解决 1 0 1 直接数字式频率合成技术 d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s d d s 采用全数字技术 是一种新的频率合成方法 d d s 是基于相位的线性性质以及相位与幅度的对应 关系实现频率合成的 它由相位累加 相位幅度转换和数模转换器组成 具有频 率分辨率高 稳定度高 频率转换速度快 相位噪声低等优点 能够很容易地实 现p s k 和f s k 调制等优势 d d s 原理 字 正 弦 波 输 出 图3 9d d s 原理框图 d d s 也被称为数控振荡器 它的基本原理框图如图3 9 所示 由相位累加器 正弦幅度表 数模转换器 d a 及低通滤波器构成 相位累加器相当于一受外部 时钟控制的计数器 在时钟脉冲的控制下频率控制字k 由相位累加器累加得到相 应的相码 将相码作为一个地址对正弦幅度表进行寻址 输出不同的幅度编码 再 经过数模变换器得到相应的阶梯波 最后经低通波器对阶梯波进行平滑 即得到 由频率控制字k 决定的连续变化的输出波形 d d s 的频率控制字k 由n 位的二进 制数组成 即使用n 位s 进制累加器 故频率分辨率等于最低输出频率f c 2 n 只要 n 足够大 即累加器的位数具有足够长度 总能得到所需的频率分辨率 输出频 率由频率控制字决定 1 1 浙江大学硕士学位论文l a p s 检测系统 一 c xk 2 n 一 3 3 n y q u i s tb an d w i d t h 厂 s i n x y xe n v i o p e 一一 一 一一 j t l t i i i i il 芝t tt t q 丁t 三 2 图3 1 0 采样输出的频谱分析 d d s 输出信号的频谱如图3 1 0 所示 在此图中我们我们假设外部时钟频率 厶础 为3 0 0 m h z 输出频率 厶 为8 0 m h z 根据奈奎斯特采样定律可知 采样频率至少为输入信号最高频率的两倍 才能从采样信号系列重构原始信号 在采样输出信号的频率谱中 镜频响应出现在缸土厶处 上图中第一镜频响 应出现在厶诎 厶 处 日p 2 2 0 m h z 第二 三 四 五镜频响应分别出现在3 8 0 m h z 5 2 0 m h z 6 8 0 m h z 8 2 0 m h z 从图中我们我们还可以看出当频率为外部时钟频 率的整数倍时 信号幅值为零 当 刎大于外部时钟频率的5 0 时 第一镜频响 1 应将会出现在奈奎斯特带宽内 d c 去厶础 而形成混叠现象 使用传统的奈奎 二 斯特抗混叠滤波器不能将混叠镜像从输出中滤出的 在d d s 的典型应用中低通滤 波器被用来抑制镜频响应在输出频谱中的影响 通常情况下为保证低通滤波器截 至频率 输出信号厶 的频带范围大多限制在外部时钟频率厶础的4 0 以内 1 2 1 a d 9 8 5 4 芯片结构及工作模式 a d 9 8 5 4 是美国a d 公司采用先进的d d s 技术生产的具有高集成度的电路 器件 它内部集成了4 8 b i t 频率累加器 4 8 b i t 相位累加器 正余弦波形表 高 b b d d o o 1 2 暑暑兰a毒 ic叠西 t一 肝 3 o 飞m嫩l w it懋 掣 一甜 甜 盯 坫 渤t l 搿 浙江大学硕士学位论文 l a p s 检测系统 速 高性能的正交d a 转换器以及调制和控制电路 能够在单片上完成频率调制 相位调制 幅度调制和i q 正交调制等多种功能 当输入一个准确的参考频 率 a d 9 8 5 4 就产生一个高稳定的频率 相位 幅度可编程调制的正弦和余弦信号 作为本机振荡器用于通信 雷达等方面 a d 9 8 5 4 的d d s 内核具有4 8 b i t 的频率分辨率 相位截断1 7 b i t 保证了优良的 无杂散动态比 s f d r 指标 同时 a d 9 8 5 4 内部还含有可编程控制的时钟乘法器 这可以使用户采用相对较低频率的振荡器通过乘法电路实现从4 到2 0 的整数倍 频成为系统时钟信号 其内部时钟速率最大可达3 0 0 m h z 两个集成1 2 位d a 转 换 超高速比较器 4 2 0 倍可编程参考时钟倍乘器 两个4 8 位可编程频率寄存 器 两个1 4 位可编程相位偏置寄存器 1 2 位幅度调制和编程功能等 l3 1 f u i n c t i o n a lb lo c kd i a g r a m 7 嚣措 嘲o r g 弘s e r u 啪 i 锱扩 i l 鲢s 图3 1 1a d 9 5 8 4 内部框图 a d 9 8 5 4 有五种工作模式 分别为s i n g l e t o n e m o d eo o o f s k m o d e0 0 1 r a m p e df s k m o d e 0 1 0 c h i r p m o d e0 1 1 和b p s k m o d e1 0 0 模式选择可在控 制寄存器里进行修改 在这五种模式中 s i n g l e t o n e 模式是最为灵活的一种 也 是主复位后的默认模式 通过该模式可以根据需要任意设定输出信号的频率 幅 度和相位等特性 对于a d 9 8 5 4 的控制可以分为并行和串行2 种方式 通过第