带有反馈机制的微孔传感信号检测系统设计

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微孔传感器是从上世纪50年代的发明专利——Coulter计数器的基础上发展而来的,能够在溶液环境中对待测物进行检测的传感器,其输出的电流形式的阻塞脉冲信号包含了待测物空间结构信息。微纳加工能力的不断提升,使得固态微孔的制备成为可能,微孔传感器的应用范围也不断拓展。如何克服待测物穿过微孔过程的随机性,提高微孔传感器的检测精度成为影响其发展的一个重要研究方向。本论文首先对阻塞脉冲信号进行了分析,尝试利用聚焦离子束(FIB)加工锥形结构来获得锥形孔,并对实验结果中产生的形貌偏差进行了深入的分析,为实现锥形孔的制备打下基础。随后根据阻塞脉冲信号的特点,设计了一套带有反馈机制的微孔传感信号检测系统。与传统的开环的检测系统相比,本论文设计的系统添加了反馈回路,实现了系统闭环,为控制待测物穿过微孔过程提供了系统基础。该系统包含了阻塞脉冲信号的放大调理电路,模数转换模块,基于FPGA的双FIR数字滤波器,搭载μC/OS-II系统的Nios II软核处理器以及微孔传感器驱动模块等部分。通过分析实际阻塞脉冲对信号处理的需求,本论文设计的系统用硬件加速器的形式在FPGA上实现了数字滤波器,既保证了系统的灵活性也满足了系统的实时性要求。同时利用双FIR滤波器,使系统得以快速捕捉阻塞脉冲信号,并能够输入信号进行有效的处理。经过多组测试,本论文设计的系统可以通过灵活地调整,实现对具有不同信噪比的阻塞脉冲信号进行快速有效地捕捉,并准确输出反馈信号。
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