CN101949868B - 一种核磁共振谱仪的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

一种核磁共振谱仪的数据采集装置，涉及一种核磁共振谱仪。提供一种可以避免多次激励待测试样品，可快速搜索未知谱峰的核磁共振谱仪的数据采集装置。设有核磁控头、解调器、滤波电路、可编程增益放大器、模数转换电路、中央处理单元，解调器的输入端接核磁控头的输出端，滤波电路的输入端接解调器的中频FID信号输出端，可编程增益放大器的输入端接滤波电路的输出端，ADC转换电路的输入端接可编程增益放大器的输出端，中央处理单元的输入端口接ADC转换电路的数字中频FID信号输出端，中央处理单元与大容量数据缓存连接，中央处理单元的输出端口经计算机接口外接计算机。

Description

一种核磁共振谱仪的数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种核磁共振谱仪，尤其是涉及一种可以免重复激励待测试样品、快速搜索未知谱峰的核磁共振谱仪的数据采集装置。

背景技术

NMR谱仪属于高端大型科学仪器，技术含量高，应用范围广泛。目前，市场主流产品为美国Varian和德国Bruker等公司生产的NMR谱仪。

在NMR谱仪的实验过程中，往往事先并不知道待测试样品里所有的物质，在初次实验时，存在一个搜索未知谱峰的过程([1]谢狄霖，陈忠，施伟巧，等.NMR碳谱谱峰检索系统[J]波谱学杂志，2008(01)：128-132)。商业谱仪一般采取以下工作流程来搜索未知谱峰：先进行粗扫，得到频率分辨率大约为几Hz的全波段谱图([2]刘颖，沈杰，李鲠颖.基于USB总线的一体化核磁共振谱仪控制台[J].波谱学杂志，2007(01)：35-41)；然后由用户指定感兴趣的频谱范围，重新激励样品，采集自由感应衰减信号(Free Induction Decay，FID)，再进行信号处理，以获得指定频谱范围内的频谱数据；若用户还需查看其他频谱范围内数据，则需要重复上述实验过程([3]周娟，周敏雄，雷都，等.一体化核磁共振谱仪数据交换的实现机制[J]波谱学杂志，2009(03)：343-350)。另一方面，当进行核磁共振实验时，如果需要查看不同频谱范围内的高分辨率频谱数据，也需要重新设定谱宽等参数，进行多次样品激发实验，以获得指定频谱范围内的高分辨率频谱数据。这样，由于前后实验的实验环境等因素存在着差异，引入了一些时间的差异性，给实验数据带来更多的不确定性。该方法的缺点在于：①搜索未知谱峰时，需要进行多次激励样品，降低了实验效率；②多次激励样品的实验结果引入了时间差异，带来了更多的不确定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以避免多次激励待测试样品，可快速搜索未知谱峰的核磁共振谱仪的数据采集装置。

本发明设有核磁控头、解调器、滤波电路、可编程增益放大器、模数转换电路(ADC)、中央处理单元(FPGA)，解调器的输入端接核磁控头的输出端，滤波电路的输入端接解调器的中频FID信号输出端，可编程增益放大器的输入端接滤波电路的输出端，ADC转换电路的输入端接可编程增益放大器的输出端，中央处理单元的输入端口接ADC转换电路的数字中频FID信号输出端，中央处理单元与大容量数据缓存连接，中央处理单元的输出端口经计算机接口外接计算机。

所述核磁探头可设有接收线圈和前置放大器，前置放大器的输入端与接收线圈连接，前置放大器的输出端与解调器的输入端连接。

所述解调器可采用500MHz本地振荡信号。

本发明在原有的控制台硬件基础上增加大容量数据缓存，用于存储NMR谱仪的中间处理数据；另外，中央处理单元采用大规模FPGA实现，所有的数据运算均在FPGA中实现。

所述FID数据处理算法是在原NMR谱仪FID数据处理算法的基础上，增加频谱细分算法。

本发明的控制台工作流程是：控制台接收到原始FID信号后，经过高频解调，得到中频信号，直接采用高速模数转换器(ADC)采样中频信号(采样率大于中频信号主频率的3倍)，得到数字化中频信号，数字化中频信号经过数字中频解调后，得到数字化FID信号，将数字化FID信号全部存储于大容量数据缓存，随后将数字化FID信号经过大倍频系数降频后，传往计算机，得到较粗频谱分辨率的全谱谱线图。用户从全谱谱线图上选定感兴趣频段区域，并可指定频谱分辨率需求，计算机将用户感兴趣频段范围、频谱分辨率需求等数据发回控制台，控制台根据用户感兴趣频段范围、频谱分辨率需求，采用频谱细分技术等相关算法，计算出合适的重采样频谱、滤波器带宽、降频系数，对存储在大容量数据缓存中的数字化FID信号进行重采样、低通滤波、降频后，发往计算机，计算机对这些数据进行FFT计算后，得到用户指定的频谱范围内高分辨率波谱信号；用户还可以多次指定感兴趣频谱范围、分辨率。

本发明在原有的NMR谱仪数据采集方式的基础上应用频谱细分技术，并且从NMR谱仪的控制台硬件、FID数据处理算法和工作流程等级方面做出改进，以实现避免多次激励待测试样品、快速搜索未知谱峰的功能。

由此可见，本发明具有以下突出的效果：

由于采用了上述方法，NMR谱仪可以一次实验即可获得全谱段的高分辨率谱线图，不需要多次重复激励样品，避免了多次激励样品引入的不重复性。而且具有了实验速度快、频谱分辨率高、频谱分辨率可定制等优点，完全可以满足NMR谱仪对控制台的要求，且调整部分元件，即可实现不同的工作频率带宽，满足各种频率NMR谱仪的需要。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为本发明实施例的电路原理组成图。在图2中，各主要元器件分别为：IC1：HSWA2-30；IC2：ADE-1L；IC3：AD8336；IC4：AD8132；IC5：AD6645；IC6：OCXO-80；IC7：RTL8139；IC8：XCF128X；IC9：74LVC16374；IC10：XC5VLX330T；M1：4GB的DDR内存模块；C1：0.01μF；C2：68pF；C3：220pF；L1：470nH；SMA和RJ45为接口。

图3为本发明的控制台与计算机的数据交互图。

图4为本发明的功能流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例将结合附图，进一步对本发明作详细介绍。

本发明通过在NMR谱仪现有数据采集方案的基础上，增加信号处理领域的频谱细分技术，并根据频谱细分技术的特殊需求和特点，设计了一套适合实现频谱细分技术的硬件系统，实现了优化实验流程、有效提高NMR谱仪控制台的处理速度等功能。

如图1所示，本发明实施例设有核磁控头1、解调器2、滤波电路3、可编程增益放大器4、模数转换电路(ADC)5、中央处理单元6，解调器2的输入端接核磁控头1的输出端，滤波电路3的输入端接解调器2的中频FID信号输出端，可编程增益放大器4的输入端接滤波电路3的输出端，ADC转换电路5的输入端接可编程增益放大器4的输出端，中央处理单元6的输入端口接ADC转换电路5的数字中频FID信号输出端，中央处理单元6与大容量数据缓存8连接，中央处理单元6的输出端口经计算机接口7外接计算机。

所述核磁探头1设有接收线圈11和前置放大器12，前置放大器12的输入端与接收线圈11连接，前置放大器12的输出端与解调器2的输入端连接。

所述解调器2采用500MHz本地振荡信号。

本发明设计的硬件系统主要包括解调、滤波、高速ADC、中央处理单元和大容量数据缓存及计算机接口组成。核磁共振实验样品的FID信号经过核磁共振前端探头采样、前置放大器放大后，通过SMA接口接入本发明的硬件系统。

参见图2，集成电路IC1产生本地500MHz频率信号，输入乘法器IC2，对FID进行500MHz的高频解调，消除高频载波信号，得到中频FID信号，电感L1、电容C2和C3组成的π型滤波器对中频FID信号进行滤波，消除高频噪声后，经可编程增益放大器IC3，对中频FID信号作进一步的放大；放大的FID中频信号经过ADC差分驱动器IC4后，高速模数转换器IC5进行80MHz的采样，得到数字中频FID信号，其中80MHz的采样时基由集成电路IC6产生；数字中频FID信号经过集成电路IC9驱动后，输入到中央处理单元IC8，集成电路IC10为IC8的配置芯片；数字FID中频信号首先经过20MHz的数字中频解调，然后被存储于大容量数据缓存M1中；中央处理单元可以根据用户指令，从大容量数据缓存中取出数字FID信号，作相关处理后，通过RJ45接口，传送到计算机，计算机上进行FFT计算后，就可以得到用户预期的频谱数据。

中央处理单元全部在一块FPGA芯片中实现，主要用于实现数字解调、下降频、重采样、滤波及逻辑控制等功能；大容量数据缓存，用于存储解调后的数字FID信号，可以是SDRAM、DDRAM或者其他大容量快速存储器，缓存容量不小于1Gbytes，可以存储一次完整实验的数字FID信号，以供后续处理随时取用。硬件系统与计算机采用100M带宽的LAN网络连接，进行数据传输。

频谱细分技术有多种，可以采用复调制Zoom-FFT(Zoom-FFT频谱细分技术的算法流程)、相位补偿细化或者级联Zoom-FFT等频谱细分技术，以下以复调制Zoom-FFT为例，阐述本发明的实现流程。

FID信号持续时间一般为1～3s，带宽与化学键等因素有关，从数赫兹到数兆赫兹。为简化说明，这里，FID信号持续时间取2s，带宽为1MHz。高速ADC以80MHz的采样频率进行采样，将20MHz的FID中频信号转换为数字信号，中央处理单元接收到数字中频信号，首先进行数字解调，去除20MHz的中频载波，获得数字FID信号。高速ADC位深为14位，采样时间可以根据实际有效FID时间进行调节，一般为1～3s，以2s为例，那么总共得到320Mbytes的数字FID信号。中央处理单元将320Mbytes数字FID信号全部存储在大容量数据缓存中。其后，中央处理单元取出数字FID信号，进行比例系数为800的下降频抽取处理，得到400Kbytes的数字FID信号，然后经过各种处理后，传往计算机，计算机进行FFT计算后，得到相关的频谱信号，则此时的频谱分辨率为5Hz，即得到了频谱分辨率为5Hz的全频谱波谱图。

用户在计算机上框选“感兴趣”频谱范围，例如，框选的频谱范围为100kHz～150kHz，用户指定频谱分辨率要求为0.1Hz。计算机将此频谱范围传回控制台，控制台经过计算，得到频率起点为100kHz，终点为150kHz，带宽为50kHz，重采样频率为150kHz。中央处理器首先进行计算，生成数字100kHz正弦信号和50kHz的数字低通滤波器；随后，中央处理器读取存储在大容量数据缓存的数字FID信号，与100kHz数字正弦信号相乘，即将数字FID信号的频谱向左移动100kHz，即100kHz附近的信号移动到0Hz附近，采用刚刚生成的50kHz低通滤波器对移频的数字FID信号进行滤波，去除高频噪声干扰，消除频谱混叠，提高信噪比。采用150kHz的采样频率对滤波后数字FID信号进行重采样，获得了频谱分辨率为0.5Hz的FID谱图。

以下给出本发明的关键技术步骤：

将所有经过数字中频解调的数字FID信号存储在大容量数据缓存中；

1)数字FID信号经过大倍频系数降频后，传往计算机，得到较粗频谱分辨率的全谱谱线图，即实现了全频段的“粗扫”；

2)用户在全谱谱线图上圈选“感兴趣”频谱范围；

3)计算机将“感兴趣”频谱范围的相关数据传往控制台；

4)控制台接收到“感兴趣”频谱范围的有关数据后，根据要求，计算出一个最佳的频移、降频、重采样、滤波的频谱细化方案；

5)控制台取出存储在大容量数据缓存中的数字FID信号，根据步骤4)计算出的频谱细化方案进行频移、降频、重采样、滤波等频谱细化处理后，将细化处理结果传往计算机，得到“感兴趣”频谱范围内的高分辨率频谱图。

6)重复步骤2)～5)，就可以快速得到任意频谱范围内的高分辨率频谱图。

7)实验结束时，将所有保存大容量数据缓存中的数字FID信号传往计算机，备案待查。

图3和4分别为具体实现该方法的计算机流程图。

因此应用本发明后，所有FID数据均存在控制台硬件中，在同一次实验中，NMR谱仪只需要从大容量存储器中调出数字FID信号后，经过简单运算，既可以得到所有频谱范围的高分辨率谱图，而避免了重新激励待测试样品。即一次实验，可以得到所有谱段内的高分辨率频谱图，从而提高了实验效率，省去了摸索未知谱峰时的多次激励待测试样品过程。

Claims (1)

1.一种核磁共振谱仪的数据采集装置，其特征在于设有核磁控头、解调器、滤波电路、可编程增益放大器、模数转换电路、中央处理单元，解调器的输入端接核磁控头的输出端，滤波电路的输入端接解调器的中频FID信号输出端，可编程增益放大器的输入端接滤波电路的输出端，ADC转换电路的输入端接可编程增益放大器的输出端，中央处理单元的输入端口接ADC转换电路的数字中频FID信号输出端，中央处理单元与大容量数据缓存连接，中央处理单元的输出端口经计算机接口外接计算机；

所述核磁探头设有接收线圈和前置放大器，前置放大器的输入端与接收线圈连接，前置放大器的输出端与解调器的输入端连接；

所述中央处理单元采用FPGA芯片，所述大容量数据缓存为SDRAM、DDRAM大容量快速存储器，缓存容量不小于1Gbytes，硬件系统与计算机采用100M带宽的LAN网络连接，进行数据传输；

将所有经过数字中频解调的数字FID信号存储在大容量数据缓存中，步骤如下：

1）数字FID信号经过大倍频系数降频后，传往计算机，得到较粗频谱分辨率的全谱谱线图，即实现了全频段的“粗扫”；

2）用户在全谱谱线图上圈选“感兴趣”频谱范围；

3）计算机将“感兴趣”频谱范围的相关数据传往控制台；

4）控制台接收到“感兴趣”频谱范围的有关数据后，根据要求，计算出一个最佳的频移、降频、重采样、滤波的频谱细化方案；

5）控制台取出存储在大容量数据缓存中的数字FID信号，根据步骤4)计算出的频谱细化方案进行频移、降频、重采样、滤波后，将细化处理结果传往计算机，得到“感兴趣”频谱范围内的高分辨率频谱图；

6）重复步骤2)～5)，就可以快速得到任意频谱范围内的高分辨率频谱图；

7）实验结束时，将所有保存大容量数据缓存中的数字FID信号传往计算机，备案待查。

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