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哈佛研究團隊使用 NI LabVIEW 軟體與多重機箱的 PXI 解決方案，以針對奈米科技的研究，開發虛擬、高通道數的鎖相放大器。
作者：
Charles Lieber，哈佛大學 (Harvard University)；Quan Qing；哈佛大學的 Lieber Research Group
產業別：
研究、大學/教育
產品：
LabVIEW、模組化儀器、PXI/CompactPCI
挑戰：
針對奈米技術的研究，建立虛擬、高通道數的鎖相放大器。
解決方案：
使用 NI LabVIEW 軟體與多重機箱的 PXI 解決方案，以開發高度彈性與精緻的鎖相放大器。
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鎖相放大器，可於充滿雜訊的環境中，偵測到極小的 AC 訊號。舉例來說，所需的 50 mV 訊號可能遭 5 V 的白噪音 (White noise) 所環繞。科學家於許多研究領域中使用這些放大器，包含醫藥、生物、地質，與材料研究。有多個製造商在製造鎖相放大器，並有多種頻率、振幅，與相位量測範圍。
在隸屬於哈佛大學化學系的 Lieber 研究團隊，NI 建立了可偵測特殊生化分子 (biomolecules) 的應用，並對照使用奈米線場效電晶體 (FET) 的陣列。奈米線的直徑為 1 公尺的十億分之一 (10 奈米)，或約為濾過性病毒的 1/5 大。由於其一維 (one-dimensional) 架構與 Direct-versus-Buried 的裝置幾何，奈米線 FET 的表面電荷敏銳度，將優於相同體積的傳統 Si FET。奈米線具有潛在應用，可偵測惡性腫瘤於體液中所釋放的疾病病灶，如乳癌與卵巢癌；還有其他疾病，如生物戰中使用的病原體。此感測器體積必須夠小，以於人體中建置偵測器，持續監控胰島素與其他必要分子的濃度。在整合了多個感測器陣列的訊號，而非單一元素的訊號之後，可透過統計方式降低並去除雜訊與不實的正向訊號；因此可提升疾病診斷的精確度。
若要同步取得奈米線 FET 感測器陣列的訊號，我們針對極小的電流訊號，需要多個鎖相量測的通道。我們使用包含下列功能的虛擬鎖相放大器解決方案，以擷取 128 個通道的訊號：
- 最低 25 kS/s 的同步擷取速率
- 每秒最低10 次更新的鎖相放大功能
- 於振幅中擷取嵌入至可比較雜訊的訊號
- 以102.4 kHz 的傳輸率，串流32 個通道的資料至磁碟
使用 NI 鎖相放大器入門套件，我們發現 1 個虛擬儀器 (VI) 範例，可修改並擴充至符合我們的需求。此入門套件中的範例，包含以 NI LabVIEW 所撰寫的運算式，可處理鎖相量測中必須的相位鎖定的迴圈、過濾，與解調 (demodulation) 步驟。
我們必須解決 2 個問題，以符合此應用的需求。首先，軟體架構的鎖相技術極為昂貴。我們必須針對多通道的應用，考慮可最佳化處理功能的程式碼。我們決定使用雙處理器系統與離散式計算。
其次，我們必須決定必要的規格與需求，並考慮到 VI 是否可有效地取代傳統的硬體架構相對應部份。
我們準備了多重機箱的解決方案，以支援 128 個通道的鎖相放大器，具備 25 kS/s 與單秒 (one-second) 的更新率。系統將包含 4 個機箱，每個機箱均具有 4 個動態訊號處理 (DSA) 模組。1 個 NI PXI-6653 時脈與多重機箱同步化模組，可同步化機箱；與 1 組單處理器 PC 以控制每個機箱。
原始的鎖相 VI 可用於 2 個輸入通道：所需的訊號與參考頻率。我們修改LabVIEW 程式碼以容納多重輸入通道，並針對擷取與分析進行其他更改，以使用 2 個不同的平行程序。針對資料串流，我們選擇分散式的 PC 架構。透過 MXI 以連接 PXI 機箱至所屬的 PC，以將資料串流至磁碟。研究團隊使用 NI PXI-6653 以同步化機箱之間的擷取。
量測需求說明了目前的量測 – 所有通道 25 kS/s 同步取樣率，並從可比較的環境雜訊中擷取穩定的訊號。選擇 NI PXI-4472 的原因，是因為該模組的 102.4 kS/s 同步取樣率、抗交疊濾波器，與 110 dB 動態範圍。奈米線樣本與 PXI 系統之間的客制增益放大器，可處理電流至電壓的轉換。
我們所建立的虛擬鎖相放大器系統，目前正交予 Lieber 研究團隊使用中。如下與相對應的傳統儀器相較，該系統提供較低的價格、較小的體積，與較大的彈性。
價格
美金 $93,100 – 虛擬儀器
美金 $512,000 – 傳統儀器
體積
[275 by 177 by 396.5 mm] x 4 – 虛擬儀器
[495.3 by 133.5 by 431.8 mm] x 128 – 傳統儀器
彈性
是 – 虛擬
否 – 傳統
如欲獲得更多資訊，請連絡
Quan Qing
Lieber 研發團隊
哈佛大學
電子郵件：quanqing@cmliris.harvard.edu
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