專利名稱：通用數字化核磁共振頻率源的制作方法
技術領域：
本發明涉及核磁共振的測量裝置或儀器類，具體的講是涉及一種用于核磁共振的通用數字化核磁共振頻率源。
背景技術：
頻率源是核磁共振譜儀和磁共振成像系統的重要組成部分，主要應用于激發樣品的核自旋或者產生檢波時的本征信號。現代核磁共振技術要求頻率源具有高穩定度、高譜凈度、高分辨率、低相位噪聲等特性。
目前，商用核磁共振信號源較多使用模擬合成技術實現頻率合成和鎖相環技術。比較典型的有PTS公司(Programmed Test Sources，Inc)的頻率源產品系列。為了獲得磁共振實驗所需的選擇性脈沖，一般由外部計算機控制數模轉換器(DAC)產生幅度波形，通過模擬乘法器對頻率源的輸出信號進行幅度調制。基于模擬混頻技術的頻率源為了克服不需要的信號邊帶，并且能夠產生幅度、相位調制功能，通常結構會變得較復雜。使用鎖相環技術則導致了更長的頻率切換時間。
近年來，隨著直接數字合成技術(Direct Digital FrequencySynthesis，DDS)的發展，數字化器件在現代核磁共振技術中得到越來越多地應用。直接數字頻率合成技術是根據奈奎斯特取樣，從連續信號的相位φ出發將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數表，存在只讀存儲器ROM表中。合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字，來改變相位增量，相位增量不同將導致一周期內的取樣點數的不同。因角頻率ω＝Δφ/Δt，在取樣頻率不變的情況下，通過改變相位累加器的頻率控制字，將這種變化的相位幅值量化的數字信號，通過數模變換(DA)及低通濾波器即可得到合成的相位變化的模擬信號頻率。DDS具有超寬的相位頻率帶寬(由fc/2N至40％fc)，超高的頻率轉換速度(μs至ns量級)，超高的頻率分辨率，以及頻率轉換時相位保持連續，可以輸出寬帶的正交信號，易單片集成，易實現FSK、PSK數字調制，可以產生一般頻率合成器難以產生的波形，易于微處理器控制，體積小、功耗低的特點，因此它得到了廣泛應用。
考慮到在實際的核磁共振NMR應用中，NMR譜寬在一個較窄的范圍內才需要高譜凈度，而在這個范圍之外，各種雜散干擾不會影響核磁共振信號。通常情況下，質子譜寬大概在50ppm到800ppm間，所以對DDS器件來說，能夠產生足夠干凈的頻率滿足高分辨NMR的需要。
由于DDS器件內部使用了由高速數字電路構建的相位累加器和波形表以及高速數模轉換器，由它產生的頻率具有穩定度高，相位噪聲小，頻率分辨率高、頻率和相位切換速度快等優點，可以有效地滿足核磁共振的需要，大大簡化核磁共振頻率源的設計，有效的減小體積，降低成本，滿足了絕大多數譜儀的需要。
但是DDS在核磁共振上應用卻存在著下列問題1.由于DDS的工作原理是基于數字取樣及數模恢復的處理，所以上述主要性能受到其工作原理的限制根據取樣定理，輸出信號基波的最高頻率將低于參考時鐘的一半，故若要提高輸出頻率將受到器件(如DAC、ROM)的速度限制，所以不能滿足高分辯核磁共振譜儀的需求。為了獲得較高的頻率，在通常的設計中仍使用了大量的模擬混頻器(mixer)和模擬頻率合成電路實現信號的倍頻輸出，不能實現在寬帶范圍內的頻率調節。雖然也有人使用多路DDS模塊和數據選通器通過內插數據點的方法獲得相對較高的頻率輸出，但是多路DDS模塊勢必會增加外圍器件導致成本和設計復雜度以及功耗的大大增加；2.DDS輸出的模擬信號中雜散寄生分量大，其中輸出高頻尤甚，它無法達到鎖相環PLL頻率合成的頻譜純度(主要是由于在大多數DDS內部使用了ROM波形表產生信號，由于受到集成電路工藝的限制，ROM表的規模不可能做得足夠大，一般只采用相位累加器的高位對其進行尋址輸出，所以在其輸出譜中包含有由DDS器件的相位截斷誤差產生的雜散信號)；
3.在硬件上，現有的DDS很多采用了通過慢速總線如VME、ISA等訪問DDS，不能快速地切換頻率和相位；4.當沒有高頻外部時鐘時，采用DDS內部的PLL倍頻器，則會引入較大相位噪聲。
常用的通過DDS器件合成高頻率的方式如圖5所示。這些方式往往都需要外部的參考頻率(如鎖相環等)輸入，這樣的方式頻率切換速度慢，系統復雜。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種用于核磁共振的通用數字化核磁共振頻率源，該頻率源以直接數字合成頻率技術為基礎，直接輸出核磁共振頻率，該頻率直接對準樣品的共振頻率，是能夠滿足臺式核磁共振檢測裝置、磁共振成像和高分辨核磁系統的頻率源。
本發明目的實現由以下技術方案完成一種通用數字化核磁共振頻率源，用于核磁共振用的射頻通道，包括PC機上使用的波形設置軟件、單片機、現場可編程邏輯門陣列FPGA、直接數字頻率合成(DDS，Direct Digital Frequency Synthesis)器件、模擬輸出部分，其特征在于所述的DDS采用的內部時鐘為100MHz-400MHz。
所述的DDS直接輸出高達5-150MHz的頻率，該頻率直接對準樣品的共振頻率。
DDS可通過倍頻器，采用直接倍頻的方式輸出所需要的頻率。
DDS采用分段輸出的方式，分為5-150MHz一段和280-301MHz一段輸出，且這兩段分別連接有帶通濾波器。
模擬輸出部分采用濾波、放大、可控幅度調整的方式，使最終輸出信號幅度大小可調，保持波形完整。
可直接用外部100-400MHz高頻時鐘做為DDS的內部時鐘。
上述的DDS時鐘由以下方式獲得用一個低溫度漂移系數、高時間穩定度的恒溫晶振產生一個10MHz的頻率，經過數字器件把頻率打散、檢波、調諧、放大，輸出DDS所需要的100MHz-400MHz外部時鐘。
本發明采用內部時鐘為100MHz-400MHz的DDS器件，可以直接輸出高達5-150MHz的頻率，利用DDS非常準確的輸出特性，直接對準樣品的共振頻率。而對于共振頻率在280MHz-301MHz的樣品，采用單個器件直接倍頻的方式輸出所需要的頻率；而采用4倍頻時，可以直接實現600M的頻率輸出。這樣的方式避免了采用多路DDS輸出和其他幾種用DDS合成頻率方式下復雜的電路，如圖5所示。
本發明針對DDS器件輸出時雜散寄生分量大，采用分段輸出的方式，分為5-150MHz一段和280-301MHz一段。對這兩段分別采用帶通濾波器，濾除DDS輸出的雜散頻率，保證了輸出頻譜的純凈。同時在模擬輸出部分采用濾波、放大、可控幅度調整的方式，使最終輸出信號幅度大小可調，保持波形完整。
本發明在PC機上設置特定波形，并預存儲特定波形在FLASH RAM中。脈沖序列執行期間，FPGA直接接管所有的控制權，不需要計算機的干預，滿足數字化核磁共振譜儀頻率和相位高速切換的要求。
本發明采用外部直接高頻時鐘(非鎖相環方式)輸入，避免了采用內部鎖相環倍頻器或者采用外部鎖相環輸入高相位噪聲的情況。
本發明的優點在于1、實現高頻輸出，滿足高場高分辨核磁共振需求；2、分段輸出，避免雜散干擾；3、幅度可調，滿足不同系統需求；4、采用高頻外部時鐘，降級輸出相位噪聲；5、實現頻率和相位高速切換，滿足核磁共振需求。
附圖概述附
圖1為本發明組成連接框圖；附圖2A為DDS示意圖；附圖2B為DDS快速觸發原理圖；附圖3A為頻率源工作流程圖；附圖3B為FPGA的工作流程圖；附圖4A為外部時鐘工作原理；附圖4B為不同時鐘方式下相位比較；
附圖5A為現有技術中兩個DDS輸出頻率直接混頻濾波示意圖；附圖5B為現有技術中DDS和PLL通過混頻器后濾波獲得高頻示意圖；附圖5C為現有技術中鎖相環為DDS倍頻的示意圖；附圖5D為本發明倍頻方案示意圖；附圖6A為脈沖和頻譜的變換；附圖6B為時域頻域變換；具體技術方案以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解如圖1所示，主要組成如下(1)波形設置軟件(PC機上使用)；(2)單片機，負責與周邊設備通信；(3)FPGA；(4)DDS；(5)模擬輸出部分，其相互作用的關系是，波形設置軟件設置波形，整個頻率源的核心控制由單片機完成，DDS的觸發是單片機接受任務后由FPGA接管進行操作，也可以在DDS觸發過程中由單片機通過中斷的方式中斷DDS的頻率輸出過程；模擬輸出部分處理DDS輸出的波形。
其中的波形設置軟件，在PC機上完成一些特殊波形和脈沖序列的設置，比如說sinc波形，自旋回波，FSE序列等的設置。
單片機與PC的通信功能經過波形軟件設置完成后就可以通過usb2.0接口經過單片機傳輸到頻率源里面的FlashRAM中保存。
單片機與FPGA的通信功能通知FPGA可以傳輸數據到SRAM(靜態RAM)；通過FPGA把板上的靜態RAM中的最后一次使用的數據保存到FlashRAM。
單片機與周邊設備的關系單片機接收頻率源的鍵盤的輸入，通過這個輸入，由用戶來決定輸出的頻率和波形。
單片機控制液晶屏LCD的輸出——用戶界面從LCD界面用菜單方式實現與用戶的交互。
FPGA觸發DDS當需要DDS工作時，首先單片機把數據通過FPGA寫到靜態RAM中，然后單片機釋放控制權，由FPGA接管操作，觸發DDS。
模擬輸出部分把DDS輸出的波形通過幅度調整滿足不同系統的需求。
基于直接數字合成器件(如圖2A)的頻率源產生的輸出頻率f0＝(FTW)(fs)/2320≤FTW≤232......[1]式或者f0＝fs×(1-(FTW/232))×231231≤FTW≤232-1其中fs為100MHz-400MHz的外部時鐘頻率，FTW為頻率調節字，字長為32位。
當fs＝400MHz時，DDS器件能夠直接輸出0-160MHz的頻率。通常為了避免零頻的干擾，同時也滿足核磁共振本身的特性，輸出一般取為5MHz--150MHz。
本發明利用DDS器件非常精準的頻率微調(能夠實現每隔0.1Hz輸出一個頻率)設定功能，使其輸出的頻率對準被測樣品的共振中心頻率；采用DDS器件內部的調制功能，直接可以產生經過調制后的頻率，避免以往采用乘法器、DAC等的模擬器件帶來的結構復雜等弊端；并且還可以利用DDS器件快速切換射頻信號的頻率、幅度、相位，實現如選擇性激發、寬帶激發反轉等復雜的磁共振實驗。而對于280MHz--301MHz的頻率，通過單個倍頻器直接倍頻就可以得到。
現有技術中，通常情況下，DDS直接輸出只用在低場低分辨的核磁共振中，若采用DDS直接輸出用于高場高分辨，則DDS的內部時鐘需要高達1000MHz的頻率，這對設計提出了極高的要求并且成本太高，而且目前的DDS器件不能滿足這樣的需求。所以，本發明采用直接倍頻的方式來獲得高頻，以應用于高場高分辨的核磁共振譜儀，由于我們DDS輸出的頻率分辨率完全能夠滿足高場高分辯的需求，雖然采用直接倍頻的方式損失了分辨率，但也滿足相應的需求。
為了避免DDS器件直接輸出時雜散寄生分量大的特點，同時針對核磁共振特有的特性，采用分段輸出的方式，分為5MHz-150MHz和280MHz-301MHz兩段。對這兩段分別采用帶通濾波器，濾除DDS的輸出的雜散頻率，保證了輸出頻譜的純凈。同時在模擬輸出采用濾波、放大、可控幅度調整的方式，使最終輸出信號幅度大小可調，保持波形完整。
在本發明中，為了降低頻率源產生的相位噪聲，本發明直接用外部100MHz-400MHz高頻時鐘做為DDS的內部時鐘，避免了用DDS內部鎖相環倍頻帶來的相位噪聲。DDS時鐘由以下方式獲得(如圖4A所示)用一個低溫度漂移系數、高時間穩定度的恒溫晶振產生一個10MHz的頻率，經過數字器件把頻率打散，檢波、調諧、放大，輸出DDS所需要的400MHz外部時鐘。這樣獲得的頻率的穩定度和恒溫晶振具有相同的數量級，外部時鐘的穩定度直接取決于所用恒溫晶振本身的特性。附圖4B比較了采用內部鎖相環倍頻器和直接外部時鐘輸入時相位噪聲的大小，其中曲線3為直接400MHz外部時鐘，曲線2為外部時鐘100MHz，用了內部PLL實現4倍頻，曲線1為外部時鐘20MHz，用了內部PLL實現20倍頻。
本發明中為了實現核磁共振快速切換頻率和相位的要求，采用現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和高速靜態內存實現對DDS器件的快速操作(如圖2B)，并且通過FPGA的數字邏輯預留了供核磁共振脈沖序列發生器快速控制此裝置的外觸發線。在實驗中，預先把實驗的頻率參數存入此裝置板上的高速靜態內存，在進行核磁共振實驗時，當使用者設定好頻率和脈沖序列后，FPGA接管DDS的控制，通過FPGA內部的狀態機對DDS器件進行快速操作，實現DDS輸出頻率的快速切換。
實施例設給定的核磁共振樣品的中心頻率為f0＝120MHz，化學位移譜寬SW＝200kHz。此時數字化頻率源的外部時鐘為fs＝400MHz，頻率調節字設定為FTW＝1288490189，滿足[1]式的要求。由數字化頻率源產生一個硬脈沖，中心頻率設定為f0＝120MHz，脈沖寬度為τ＝0.25μs，其中寬度τ滿足這樣的條件(1/(2τ))＝SW，SW為譜寬。
這樣，硬脈沖能夠覆蓋f0±(1/(2τ))的頻率范圍。該硬脈沖經過傅立葉變換，如圖6A，在頻譜上覆蓋了中心頻率為120MHz，譜寬為200kHz的頻帶范圍的，滿足樣品的需求。
如果樣品有變化或者中心頻率有所偏移，則需要在頻率源控制部分以0.1Hz為步進，調節相應的中心頻率設置和譜寬變化。
在核磁共振實驗中往往需要選擇性激發脈沖和寬帶去耦脈沖，這就需要頻率源能快速地切換頻率、相位和幅度。頻率源工作流程，如圖3A所示預先使用配置軟件設置頻率參數，通過USB2.0通信接口由單片機寫入到板上的FlashRAM中；當頻率源開始工作時，首先由單片機通過交互方式由使用者來確定頻率或者選擇預先設置的脈沖序列，再由單片機從FlashRAM中讀出相應的數據通過FPGA寫數據到靜態RAM，然后單片機發出觸發命令給FPGA，由FPGA接管對DDS的操作。FPGA初始化DDS，產生控制邏輯，從靜態RAM中讀取數據，配置DDS工作參數。在脈沖序列工作期間，根據觸發脈沖，從內存中讀出所需的頻率、相位、幅度參數寫入DDS，更新板上的DDS(如圖3B)。當接收到外部的觸發信號時，狀態機通過串行方式讀寫DDS內部寄存器。本實施例中的DDS的串行時鐘由FPGA對外部50MHz時鐘分頻后提供，最快可以達到50ns/字節配置速度。
權利要求
1.一種通用數字化核磁共振頻率源，包括PC機上使用的波形設置軟件、單片機、現場可編程邏輯門陣列FPGA、DDS、模擬輸出部分，其特征在于所述的DDS采用的內部時鐘為100MHz-400MHz。
2.根據權利要求1所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS直接輸出高達5-150MHz的頻率，該頻率直接對準樣品的共振頻率。
3.根據權利要求1所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS通過倍頻器，采用直接倍頻的方式輸出所需要的頻率。
4.根據權利要求1所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS采用分段輸出的方式。
5.根據權利要求4所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS，分為5-125M一段和280-300M一段輸出，且這兩段分別連接有帶通濾波器。
6.根據權利要求1所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的模擬輸出部分采用濾波、放大、可控幅度調整的方式，使最終輸出信號幅度大小可調，保持波形完整。
7.根據權利要求1所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于直接用外部100-400MHz高頻時鐘作為DDS的內部時鐘。
8.根據權利要求7所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS時鐘由以下方式獲得用一個低溫度漂移系數、高時間穩定度的恒溫晶振產生一個10MHz的頻率，經過數字器件把頻率打散、檢波、調諧、放大，輸出DDS所需要的100MHz-400MHz外部時鐘。
9.根據權利要求8所述的一種通用數字化核磁共振頻率源，其特征在于所述的DDS時鐘由以下方式獲得用一個低溫度漂移系數、高時間穩定度的恒溫晶振產生一個10MHz的頻率，經過數字器件把頻率打散、檢波、調諧、放大，輸出DDS所需要的400MHz外部時鐘。
全文摘要
本發明涉及核磁共振的測量裝置或儀器類，具體的講是涉及一種用于核磁共振的通用數字化核磁共振頻率源，該頻率源用于核磁共振用的射頻通道，包括PC機上使用的波形設置軟件、單片機、FPGA、DDS器件、模擬輸出部分，其特征在于所述的DDS采用的內部時鐘為100MHz－400MHz，該DDS直接輸出高達5－150MHz的頻率，采用直接倍頻的方式輸出所需要的頻率，DDS采用分段輸出的方式，采用外部直接高頻時鐘輸入，其優點在于1.實現高頻輸出，滿足高場高分辨核磁共振需求；2.分段輸出，避免雜散干擾；3.幅度可調，滿足不同系統需求；4.采用高頻外部時鐘，降級輸出相位噪聲；5.實現頻率和相位高速切換，滿足核磁共振需求。
文檔編號G01R33/44GK1632610SQ20041009926
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月29日 優先權日2004年12月29日
發明者喬勇, 季文彬, 蔣瑜, 李鯁穎 申請人:上海華鼎科技教育設備有限公司, 華東師范大學