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核磁共振同步接收装置的电路研究

作者: 发布时间:2020-01-20 17:17:00 阅读: 48 次

摘要:现代科学中,对于核磁共振谱仪有很多的应用领域,在分子化学和分子生物中的应用就更为广泛,同时,随着这些领域的发展,也对核磁共振谱仪提出了很多新的要求。本文提出了,核磁共振谱仪的收发电路进行了简要的设计,希望能够为以后的核磁共振谱仪的收发电路的设计有一定的参考意义。

1引言

核磁共振现象时美国的Stanford university F.Block教授和Harvard universityE.M.Purcell教授各自发现的,因为两人的优异成果,共同获得了1952年的Nobel奖。经过这么多年的发展,核磁共振已经成为了一门具有完整理论的新科学。到现在为止,已经有12位科学家因为在核磁共振方面的研究而获得诺贝尔奖。

近些年来,应用到工业领域的核磁共振分析仪器的发展十分迅速,这种仪器是一个系统工程,它涉及物理、电子、计算机、电磁学、化学等很多方面,就有相当高的技术含量。现在关于这些仪器的产片有很大一部分是由国外的公司所统治,因此这类产品的价格也非常高。这种仪器的核心技术在国内已经有了很大的发展,可以在很大程度上降低仪器的成本,在不远的将来,预计,对于这种仪器的需求,能够发展成一个具有很大规模的新产业。

2核磁共振原理

核磁共振的基础是原子核的磁性和对它的外加磁场的相互作用。大家都知道,原子核是由质子和中子组成的,质子带的是正电,中子并不带电,质子和中子统称作核子。现在的研究表明,所有含有奇数个核子、以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核,都具有内秉角动量,或者叫作“自旋”,这样的话,这个核都在不停的旋转,就像一个高速旋转的陀螺。

对于一个被磁化后的核自旋系统,如果在一个垂直于静磁场的方向上,再加上一个交变磁场,让他们的角频率相等。根据量子力学的原理,核自旋系统就会发生共振吸收的现象,也就是处于低能态的核磁矩就能够通过吸收交变磁场提供的能量,最后跃迁到高能态。这种现象就称为核磁共振现象。

对于交变电磁场既可以连续的施加,也可以通过短脉冲的形式进行施加。现在的核磁共振技术都是采用的脉冲方法。由于核磁共振系统的工作频率大多数都是在射频段,因此这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。

      3、锁场收发电路的设计实现

锁场收发单元发射机的结构包括了射频发射源,开关盒功率调节电路两个部分组成的。现在要求的NMR谱仪技术中,对于射频源具有很多快速频率、相位和幅度的切换能力。在本次设计中采用Analog Device公司的AD9958集成度很高的频率合成器,从而能够配合FPGA和嵌入式计算机等系统来完成发射机的快速调制,得到能够满足核磁共振实验要求的射频信号。

AD9958芯片采用了先进的DDS技术,利用DDS技术开发出集成度很高的DDS器件,具有两个DDS内核,能够在同一个时间内提供两个内部同步、独立编程的输出通道,能够独立的进行频率、相位和幅度的控制。基于以下的,原因来选择AD9958,它能够提供两路独立的射频输出,一路用来提供给发射机的射频输出信号,另一路也是提供给接收机作为本振。同时由于AD9958在成本问题上,有很大的优势,它能够在较低成本上达到设计要求。

对于AD9958设计电路图如下图所示:

 

对于低通滤波器的电路设计的电路图如下图所示:

 

对于NMR中,如果发射机和接收机同时工作,发射机的射频功率往往会泄露到接收机中使得接收机饱和而影响到核磁共振信号的接收,因此,在这种情况下,使用分时发射和接收可以克服以上的矛盾。

锁通道接收电路的设计

在锁通道的接收电路模块中包括了混频与滤波电路,功率调节和中频数字化电路两个部分。

混频方式采用无源混频器,把接收的信号经过滤波和射频开关以后,再经过放大,和DDS输出的另一个通道产生的本振信号进行混频,得到下变频信号送入到后续电路处理。对于中频的直接采样技术的设计中,省去了接收机模拟滤波器的调整,系统调试简单而且运行非常稳定。经过放大和混频以后的核磁共振信号先有高速的数模转换器进行采样,然后将转换的数字信号在数字域中实现对磁共振信号正交,然后经过高速信号处理器进行数字抽取滤波,输出解调的和磁共振信号。

对于本振频合与时钟频合电路中,采用压控振荡器,在本设计中采用AD9874,对于时钟频合的VCO原理图如下图所示:

 

对于VCO进行布板时候,压控振荡器的控制线通常就是一个控制频率反馈的一个部分,在很多的情况下都会引入噪声,因此就需要很小心的处理VCO控制线,保证走线的下层的地是实心的,并且要求所有的元器件能偶牢固的连接在主地上,并要与其他的可能带来的噪声走线隔离,保证VCO的电源能够去除耦合。

这个数模转换器在接收到FPGA的串行控制信号,同时向FPGA输出中频数字解调后的信号。

在本文中,主要介绍了锁场电路发射接收的设计,根据所要设计的特点,选取合适的芯片,并根据芯片的特点设计相应的外围电路,并对这些电路的功能特点进行了深入的介绍。如果加上必要的电源和接收电路,收发单元的硬件软件就可以设计完成。

随着科学技术的进步和发展,关于核磁共振仪器的发展也会逐渐的成熟和完善,本文只是对其中的一个很小的部分进行了简要的介绍设计,并希望通过这些硬件的设计为以后的研究提供一些思路,有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]  徐勤, 沈杰.  一体化核磁共振数字接收机的设计,  波谱学杂志,  2011,  22(4): 357~358.

[2]  赵平华,于涛.核磁共振弛豫时间和磁场均匀性的研究, 长春师范学院学报(自然科学版), 2010, 26(1):36-37.

[3]  张丽君.  核磁共振技术的发展.河北师范大学学报,2008, 24(2): 224~225.