CN101403715B - 纳升级样品核磁共振检测数字接收机 - Google Patents

Abstract

一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，适用于对体积小于500纳升的生物-化学液态样品进行核磁共振波谱分析。本发明数字接收机是基于一次模拟混频、一次中频采样与数字正交检波的信号检测方法，所述接收机由射频前置低噪声放大器、射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器及数据采集卡等依次串联构成。核磁共振接收线圈感应得到的信号被送入接收机后，首先经前置低噪声放大器等器件放大，然后将放大后的信号送入一个混频器，得到中频核磁共振信号，再对该中频信号进行进一步放大及低通滤波，最后，利用数据采集卡对该中频信号进行模数转换，为后续的基带数字正交检波准备数据。

Description

纳升级样品核磁共振检测数字接收机

技术领域

本发明涉及一种核磁共振检测数字接收机，特别涉及纳升级样品核磁共振检测数字接收机。

背景技术

在被测样品成分未知条件下，核磁共振波谱检测技术可用于对化合物分子组成与结构进行分析，在生物活体研究与材料研究等领域占有十分重要的地位。近年来，随着技术的发展与进步，其应用的深度与广度也在不断拓展。但是，与质谱检测等其他化学分析技术相比，核磁共振检测技术的灵敏度较低，而检测灵敏度随被测样品体积的减小而显著增加。常规核磁共振波谱分析中一般是采用直径5毫米试管作为样品容器，不适合对纳升级样品进行核磁共振谱分析。另外，目前商业核磁共振波谱分析仪器体积庞大、结构复杂、运行模式固定，如果将其应用于微量样品检测，需在微接收线圈与波谱仪接收机之间加入保护电路环节。

对纳升级样品进行核磁共振波谱分析时，接收线圈感应到的自由感应衰减信号的峰值电压在几十微伏以下，就要求在微弱信号条件下接收机具有低噪声、大动态范围的特点。传统商业磁共振波谱仪所采用的一般为基于模拟技术的接收机，成本较高、易受环境温度影响而运行不稳定，而且，当接收机采用正交检波方法处理信号时，同相、正交两路信号间会存在一定程度的不平衡，导致经傅立叶变换后的频谱失真。特别地，基于模拟信号处理技术的接收机由于采用模拟下变频与检波技术(模拟器件具有固有的不稳定性)，信号处理通路上存在直流偏置误差、易受环境温度影响，导致信号处理过程重复性差。

在专利号为11690193的美国专利中，公开了一种基于射频采样技术的核磁共振数字接收机，根据核磁共振信号频率的高低，接收机中的模数转换器采用欠采样或过采样技术将模拟信号转换为数字信号，该接收机存在以下不足：1、该直接射频数字化接收机需要较高性能的电子元器件，特别是射频带通滤波器与模数转换器；2、由于是直接对射频信号进行数字化，即采用较高的采样率，极大地加重了后续的数字正交检波环节中的数据处理负荷；3、该直接数字化接收机很难做到与波谱仪射频脉冲发射部分保持相位关系一致，而靠提高采样率的方法只能使收/发两路信号间的相位关系近似保持一致。以上因素决定了这种直接射频数字化接收机不能很好地满足纳升级样品核磁共振波谱检测技术的需要。

发明内容

本发明的目的是发明一种适用于纳升级样品核磁共振检测的数字接收机，这是一种适用于微弱信号检测的低噪声、大动态范围的小型核磁共振谱仪数字接收机。该接收机适用于检测体积小于500纳升的样品，对应的微弱自由感应衰减信号的电压幅值小于20微伏。

本发明基于一次模拟混频、一次中频采样、中频数字正交检波的信号检测方法。

本发明接收机由前置放大器单元、射频/中频转换单元与数据采集卡组成。前置放大器单元包括低噪声放大器，射频/中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对。前置放大器单元、射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对、数据采集卡依次串联。来自接收线圈的由被测样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放大器，然后将放大后的所述信号送入射频/中频转换单元进行处理；在射频/中频转换单元中，来自低噪声放大器的核磁共振信号首先被送入射频增益控制器，所述射频增益控制器对信号的功率进一步放大，再将所述经射频增益控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频；所得到的中频信号再被送入中频可变增益放大器进行进一步功率调节，以满足数据采集卡对待模数转换的信号的电压的要求；所述经中频功率调节后的信号送入低通滤波器，以滤除信号中的高频带外干扰；低通滤波器的输出信号送入缓冲器；缓冲后的信号经过隔直电容及一个限压二极管对，最后被送入数据采集卡进行模数转换，并将得到的数字域数据送入控制计算机，进行数字正交检波。

本发明中频采样数字接收机的特征在于：采用了单次模拟混频/单次中频采样的数字接收机体系结构，采用了数字正交检波技术对中频信号进行解调、滤波、抽取等处理，极大地消除了同相与正交信号间的不平衡，信号处理过程重复性好，提高了系统的信噪比，增强了抗环境温度及外界电磁场干扰的能力；与传统的双模数转换正交检波模拟接收机相比，本发明只采用少量的模拟器件，并在数字域对中频信号进行处理，而使得处理过程稳定可靠。

本发明的有益效果是：结合平面式微接收线圈等核磁共振自由感应衰减信号接收装置，本发明适用于纳升级样品的核磁共振波谱分析，所述接收机结构简单成本低，适用于宽工作频率范围，克服了现有核磁共振模拟接收机的缺点，减少接收机引入的系统噪声，减少由于正交检波两路不平衡而造成的波谱谱线加宽；本发明与小型低场磁体系统以及射频脉冲发生装置相结合，可构成小型纳升级样品核磁共振检测仪器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明纳升级样品核磁共振检测数字接收机的电路连接原理图；

图2是本发明纳升级样品核磁共振检测数字接收机的低噪声放大器电路原理图；

图3是标准单片射频放大器芯片的通用设计电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由前置放大器单元、射频/中频转换单元与数据采集卡组成，前置放大器单元包括低噪声放大器，射频/中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对。首先，来自接收线圈的由被测样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放大器，然后将放大后的信号送入射频/中频转换单元进行处理。在射频/中频转换单元中，来自低噪声放大器的核磁共振信号首先被送入一个射频增益控制器，该控制器可以对信号的功率进行进一步放大；再将经射频增益控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频；得到的中频信号再被送入一个中频可变增益放大器进行进一步功率调节，以满足数据采集卡对待模数转换的信号的电压的要求；将经中频功率调节后的信号送入一个低通滤波器，以滤除信号中的高频带外干扰；为了使放大后的模拟核磁共振信号能够驱动数据采集卡，将低通滤波器的输出信号送入一个缓冲器；缓冲后的信号经过一个隔直电容及一个限压二极管对，最后被送入数据采集卡进行模数转换。

所述低噪声放大器靠近接收线圈。如图2所示，该放大器由一个PIN二极管开关与一个放大器芯片串联构成，来自接收线圈的核磁共振自由感应衰减信号首先被送入所述PIN二极管开关，所述PIN二极管开关的输出端与所述放大器芯片的信号输入端相连。在射频脉冲发射阶段，PIN二极管开关用来保护放大器芯片，以免高功率射频脉冲耦合入放大器。当对开关施加一个TTL电平控制脉冲时，能够阻止射频发射脉冲耦合入放大器芯片，未施加TTL电平控制脉冲时，开关处于关闭状态，允许核磁共振信号进入放大器芯片。为了减少接收机的成本，本实施例中放大器芯片采用一片50欧姆Agilent INA-01芯片，工作频率范围0-500MHz，增益32dB，噪声系数1.7dB。本实施例中，INA-01芯片及74F244芯片与相应外围器件间的引脚连接关系如图2所示，具体的连接方式为：TTL电平控制脉冲作用于74F244芯片的第2引脚，来自接收线圈的自由感应衰减信号在PIN二极管开关的控制下送至INA-01的第1引脚，经放大后的核磁共振信号由INA-01的第3引脚输出，该第3引脚与一个560pF的第1隔直电容的一个引脚相连，该隔直电容的另一个引脚作为所述低噪声放大器的信号输出端，并与射频增益控制器中的第一放大环节的MAR-1SM芯片的输入引脚：第1引脚相连。

如图1所示，射频增益控制器由四个放大环节和一个压控衰减环节组成，所述四个放大环节与所述压控衰减环节间的具体连接方式为：经低噪声放大器放大后的信号被送入第一放大环节，第一放大环节的输出端连接第二放大环节的输入端，第二放大环节的输出端连接压控衰减环节的输入端，压控衰减环节的输出端连接第三放大环节的输入端，第三放大环节的输出端连接第四放大环节的输入端。该衰减环节位于第二与第三放大环节之间，起调节接收机的总的射频增益的作用，进而提高接收机的信号接收的动态范围。

每一个放大环节都基于一片射频放大器芯片，且电路连接关系均相同，如图3所示。所述射频放大器芯片与相关外围器件间的连接关系为，所述射频放大器芯片的输入引脚：第1引脚与输入隔直电容的一个引脚相连，该输入隔直电容的另一个引脚接前级的信号输出端，所述射频放大器芯片的输出引脚：第3引脚与输出隔直电容的一个引脚相连，该输出隔直电容的另一个引脚作为放大后的信号的输出端。

图中，偏置电阻的阻值可以由下式算出：

$R_{\mathrm{biss}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_d}{I_d}---\left(1\right)$

射频扼流圈的电感值与隔直电容的容值可以由下面几个公式计算得到：

|X_RFC|＝ω·L_RFC                     (2)

|X_RFC+R_biss|>>50Ω                   (3)

$X_{\mathrm{Cblock}}=\frac{1}{\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;C_{\mathrm{block}}}<<50\mathrm{\&Omega;}---\left(4\right)$

公式(3)的目的是，为了减少通过直流电源线引入射频干扰，要求偏置电阻与扼流圈的总阻抗在工作频率点足够高。公式(4)的目的是，为了减少因隔直电容引入的插入损耗，要求隔直电容的射频阻抗尽可能小。如果工作频率为200MHz，直流供电电压为15V，则可以取扼流圈为0.33uH的芯片电感，隔直电容取560pF的陶瓷电容。

第一放大环节和第二放大环节分别采用美国Mini-Circuits公司的放大器芯片MAR-1SM和MAR-4SM，这两个放大环节作为一个整体，可提供26.8dB的增益，最大线性输出功率为12.5dBm。MAR-1SM放大器芯片在0-1GHz频带内可以提供18.5dB的增益，输出1dB功率压缩点1.5dBm，噪声系数5.5dB，工作时I_d＝17mA，V_d＝5V，R_biss＝593Ω。所述第一放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF IN引脚经由第1隔直电容，与前级中INA-01芯片的第3引脚相连。

MAR-4SM放大器芯片在0-1GHz频带内可以提供8.3dB的增益，输出1dB功率压缩点12.5dBm，噪声系数7.0dB，工作时I_d＝50mA，V_d＝5.5V，R_biss＝200Ω。所述第二放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF IN引脚经由第二隔直电容，与第一放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF OUT引脚相连。

压控衰减环节跟在第一和第二放大环节后面，控制射频增益控制器的实际增益大小。压控衰减环节基于一片M/A-COM公司的衰减器AT-309，该芯片可提供0-20dB的衰减，最大插入损耗为1.2dB，衰减控制电压范围0-4V，工作频率范围0-2GHz，输出1dB功率压缩点范围18-21dBm，最大射频输入功率27dBm。压控衰减环节中AT-309芯片与前级和后级间的连接关系为，衰减器AT-309芯片的RF1信号输入引脚经由第三隔直电容，与前级第二放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的第3引脚相连，衰减器AT-309芯片的RF2信号输出引脚经由第四隔直电容，与后级第三放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的第1引脚相连，衰减器AT-309芯片所需的电压控制信号由AT-309芯片的A引脚引入。

第三和第四放大环节分别也基于放大器芯片MAR-1SM和MAR-4SM，则理论上，最大允许增益值26.8dB，最大线性功率输出值12.5dBm。所述第三和第四放大环节与前级和后级的连接方式为，第三放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF IN引脚经由一个第四隔直电容与衰减器AT-309芯片的RF2引脚相连，第三放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RFOUT引脚经由一个第五隔直电容与第四放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF IN引脚相连，第四放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF OUT引脚经由第六隔直电容与混频器的第1引脚相连。

综上所述，在考虑衰减器的最大插入损耗情况下，射频增益控制器的最大增益为52.4dB。射频增益控制器的最大线性功率输出值取决于第三放大环节的输出1dB功率压缩点的大小，即1.5dBm，则射频增益控制器的最大允许输入功率分别为-22.6dBm(存在20dB衰减)或-42.6dBm(不存在20dB衰减)。

混频器的作用是将接收到的核磁共振信号的载波频率变换至500kHz中频，混频器由一片Mini-Circuits公司的SBL-1LH芯片构成。工作时，该芯片需要10dBm的本地振荡信号，不发生饱和条件下最大允许射频输入功率为5dBm，射频信号输入端口与本振信号输入端口工作频率范围2-500MHz，中频信号范围0-500MHz，中频转换损耗约6dB。因为该芯片的输入1dBm压缩点功率为4dBm，射频增益控制器的实际允许最大输入功率为-28.4dBm(衰减器衰减20dB)或-48.4dBm(衰减器无衰减)。SBL-1LH芯片的第3引脚与后级中频可变增益放大器CLC5523的信号输入端口相连。

将经混频器下变频得到的信号依次经过中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器和隔直电容及限压二极管对，对信号先后完成以下四步处理：首先，500kHz中频信号由一个中频可变增益放大器放大，然后送入1MHz带宽的低通滤波器5进行滤波，滤波后的信号经一个缓冲器进行缓冲处理，最后，中频信号送入数据采集卡之前先经过一个限压二极管对，使待采样的中频信号的电压峰值不超过数据采集卡的输入电压范围。

在中频可变增益放大器和低通滤波器环节中，对输入信号进行最后一次功率调节，以使其匹配数据采集卡的输入信号电压量程。本实施例中，中频可变增益放大器采用一片国家半导体公司的放大器芯片CLC5523，经配置后该放大器的增益范围为-40～40dB。放大后的中频信号送入低通滤波器5进行抗混叠滤波，同时去除信号中的直流偏置分量。本实施例中，采用一片线性技术公司的LTC1560低通滤波器芯片，在其输出端串联一个3.3uF隔直陶瓷电容。LTC1560滤波器是一个5阶1MHz截止频率的椭圆低通滤波器，标称通带纹波0.3dB，平均通带增益0.14dB，阻带衰减大于60dB。因为数据采集卡的输入阻抗一般约为500～2M欧姆，滤波后的信号送入数据采集卡之前需经过一个缓冲器。缓冲器采用一片线性技术公司的高速运算放大器芯片LT1806，将其配置为单位增益，其具有325MHz增益带宽，对输入信号影响小，器件噪声低。最后，缓冲器输出的信号经过一个限压二极管对，将信号电压限制在±2.5V之间。限压二极管对由两对并联的高速硅开关二极管构成，采用ONSemiconductor公司的BAV99LT二极管。

数据采集卡采用Interactive Circuits and Systems公司的ICS-645型PCI总线数据采集卡，该采集卡有32个通道，单通道独立模数转换数率可达2.5MSPS。卡上带有1MB的数据存储器。ICS-645采集卡的满量程输入电压限为±1V。

本发明单通道接收机的一个具体实施方式的特征为：为适用于各种不同场强的磁体，接收机的工作频率范围为60-210MHz，对应的磁体场强范围约为1.5-4.7T；低噪声放大器基于高性能低成本Agilent INA-01放大器芯片，接收机噪声系数为2dB；接收机最小可检测信号功率为-112dBm，4.7T下最大可检测信号功率为-62.2dBm，相应的动态范围为49.8dB；模数转换数据采集卡采用Interactive Circuits and Systems公司的ICS-645采集卡，分辨率为16位，采样率2.5MSPS。

Claims (5)

1.一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：所述接收机由前置放大器单元、射频/中频转换单元与数据采集卡组成；前置放大器单元包括低噪声放大器，射频/中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对；来自接收线圈的由被测样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放大器，然后将放大后的所述信号送入射频/中频转换单元进行处理；在射频/中频转换单元中，来自低噪声放大器的核磁共振信号首先被送入射频增益控制器，所述的射频增益控制器由四个基于射频放大器芯片的放大环节和一个衰减器构成的压控衰减环节组成，经低噪声放大器放大后的信号被送入第一放大环节，第一放大环节的输出端连接第二放大环节的输入端，第二放大环节的输出端连接压控衰减环节的输入端，压控衰减环节的输出端连接第三放大环节的输入端，第三放大环节的输出端连接第四放大环节的输入端；所述衰减环节位于第二与第三放大环节之间，起调节接收机的总的射频增益的作用；所述射频增益控制器对信号的功率进一步放大，再将所述经射频增益控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频；所得到的中频信号再被送入中频可变增益放大器进行进一步功率调节，以满足数据采集卡对待模数转换的信号的电压的要求；所述经中频功率调节后的信号送入低通滤波器，以滤除信号中的高频带外干扰；低通滤波器的输出信号送入缓冲器；缓冲后的信号经过隔直电容及一个限压二极管对，最后被送入数据采集卡进行模数转换，并将得到的数字域数据送入控制计算机，进行数字正交检波。

2.根据权利要求1所述的一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：所述低噪声放大器的放大器芯片为Agilent INA-01芯片；来自接收线圈的自由感应衰减信号在PIN二极管开关的控制下送至放大器芯片INA-01的第1引脚，经放大后的核磁共振信号由放大器芯片INA-01的第3引脚输出，所述第3引脚与一个560pF的隔直电容的一个引脚相连，所述隔直电容的另一个引脚作为所述低噪声放大器的信号输出端；TTL电平控制脉冲作用于74F244芯片的第2引脚，当对所述开关施加一个TTL电平控制脉冲时，能够阻止射频发射脉冲耦合入所述的放大器芯片INA-01，未施加TTL电平控制脉冲时，开关处于关闭状态，允许核磁共振信号进入上述放大器芯片INA-01。

3.根据权利要求1所述的一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：低噪声放大器由一个PIN二极管开关与一个放大器芯片串联构成，所述PIN二极管开关的输出端与所述放大器芯片的信号输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：所述构成放大环节的射频放大器芯片的输入引脚——第1引脚与输入隔直电容的一个引脚相连，所述输入隔直电容的另一个引脚接于前级的信号输出端，所述射频放大器芯片的输出引脚——第3引脚与输出隔直电容的一个引脚相连，所述输出隔直电容的另一个引脚作为放大后的信号的输出端。

5.根据权利要求1或3所述的一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：第一放大环节和第二放大环节分别采用放大器芯片MAR-1SM和MAR-4SM，所述第一放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF IN引脚经由第一隔直电容，与前级中放大器芯片Agilent INA-01的第3引脚相连；所述第二放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF IN引脚经由第二隔直电容，与第一放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF OUT引脚相连；压控衰减环节中的衰减器AT-309芯片的RF1信号输入引脚经由第三隔直电容，与前级第二放大环节中的放大器MAR-4SM芯片的第3引脚相连，衰减器AT-309芯片的RF2信号输出引脚经由第四隔直电容，与后级第三放大环节的MAR-1SM芯片的第1引脚相连，衰减器AT-309芯片所需的电压控制信号由衰减器AT-309芯片的A引脚引入；第三放大环节中的放大器芯片MAR-1SM的RF OUT引脚经由第五隔直电容与第四放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF IN引脚相连，第四放大环节中的放大器芯片MAR-4SM的RF OUT引脚经由第六隔直电容与混频器SBL-1LH芯片的第1引脚相连。

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