CN110531291B - 一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，包括恒温晶振、锁相环、零度等幅功分器、第一直接信号合成器、第二直接信号合成器、脉冲功率放大器、核磁共振双工器、核磁共振探头、快恢复前置放大器、多级可调增益低噪声放大链路、无源双平衡混频器、滤波放大模块、高速数字化仪、计算机和现场可编程门阵列。本发明通过数字直接信号合成器直接产生核磁共振实验所需脉冲序列，并采用数字式中频正交采样技术实现对核磁共振信号的高信噪比采集。与传统核磁共振谱仪系统相比，该系统结构简单可靠、造价低廉、研发周期短，且性能优于现有核磁共振系统。

Description

一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构

技术领域

本发明涉及核磁共振领域，具体是一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构。

背景技术

凝聚态核磁共振主要探测原子核与电子体系间的超精细相互作用，是对固体材料中局域磁性与低能元激发性质的重要前沿研究手段，对于凝聚态物理而言，核磁共振在非常规超导电性、量子磁性以及其他强关联电子体系中具有重要应用。在世界范围内，日本、美国以及我国多所大学及研究所均建立起了各具特色的核磁共振实验室用于凝聚态物质的物性研究。

近些年来，磁体技术、谱仪技术以及探头技术的长足发展使强磁场（高至45Tesla）下的凝聚态核磁共振研究成为可能。外加磁场是一种对凝聚态物质基态的重要调控参量，能够在材料中引入新奇的量子状态、量子相变以及临界行为等。强磁场下的凝聚态核磁共振为获得凝聚态物质在强磁场下的状态演化信息、探索强磁场诱导出现的新奇物理现象以及研究物性演化背后蕴含的物理机制提供了重要依据，甚至在某些情况下唯一的先进谱学研究手段。

对于核磁共振谱学研究而言，谱仪系统是该实验测试系统的核心与关键。与基于超导磁体的用于生物、化学的核磁共振相比，强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统具有以下特点：（1）频率调节范围广：由于凝聚态物理所研究材料范围广泛，其中所含有的原子核几乎覆盖了所有具有核磁共振效应的核子（如63Cu、17O、77Se等），这些原子核的旋磁比大小差距大。此外，由于凝聚态物质可能会在不同磁场下展现出完全不同的量子物性，所以开展核磁共振研究的磁场强弱不一（低至1Tesla以下，高至45Tesla）。这两方面因素使应用于强磁场下的凝聚态核磁共振谱仪系统的频率调节范围非常宽(>1GHz)。（2）谱仪的死区时间短：首先，具有强电子关联的凝聚态物质中，原子核体系的自旋-自旋驰豫时间很短（十几至几百微秒的典型值）；其次，电子关联体系使核子处于非常不均匀的超精细场中（比如反铁磁有序磁性材料），共振谱线的非均匀展宽效应非常明显；再次，产生强磁场的水冷磁体的均匀度明显差于常规使用的超导磁体（水冷磁体50-400 ppm/dsv，超导磁体在匀场后均匀度可以优于1ppm/dsv）。这三方面原因使得核磁共振自由衰减/自旋回声信号随时间的衰减迅速（几十微秒），远远短于无磁的生物/化学样品。因此为了提高强磁场凝聚态核磁共振的探测效率，提升有效信噪比，就需要研发死区时间更短的凝聚态核磁共振谱仪系统。

经过多年的发展，商业化的核磁共振谱仪已经非常成熟且在生物/化学领域有着极其广泛的应用。在这些商业化的谱仪中，每个通道的射频波源一般需要2-3个，并通过混频、多次滤波的方式产生相位、幅度、脉冲宽度等参数可调的核磁共振脉冲序列，并通过射频功率放大器来激励原子核系统发生粒子布居数翻转。在探测部分，首先通过前置放大器以及谱仪中串联的一系列放大器来放大随时间衰减的核磁共振信号，然后通过与从射频波源取样的参考信号混频、滤波的方式完成对核磁信号的正交下变频过程，最后将两路低频或零频信号送入高速模数转换器进行数字化并由计算机采集记录下来。

采用上述架构的外差式核磁谱仪系统，在产生射频激励部分采用了多个射频信号源进行混频、滤波，结构上势必会很复杂，且需要进行多参数的调试（如中频频率的选择、中频信号的幅度选择等），增加了研制难度并且产生的射频脉冲的频谱纯净度并不理想（主要是由于混频器件的隔离度不高以及谐波干扰等），且在某些整数频率上会出现谐波抑制比变差的情况；其次，脉冲输出的相位调控精度不高。在上述谱仪的构造中，多相位的调控往往是通过压控移相器来实现，精度很难做到1度以下；再次，传统核磁共振谱仪的正交检测是通过模拟的方式进行，而这种方式由于很难得到相位差恰好为90度的两路本振信号，使核磁共振信号容易受到镜像信号（所谓“鬼影”）的干扰。这一点在以模拟方式进行正交检测采样的核磁共振谱仪系统中很难解决。

发明内容 本发明的目的是提供一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，以解决现有技术外差式核磁共振谱仪结构复杂且研制难度高、输出射频脉冲频谱纯净度差、相位调控精度不高以及正交检测效果差导致镜像信号干扰严重的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：包括恒温晶振、锁相环、零度等幅功分器、第一直接信号合成器、第二直接信号合成器、脉冲功率放大器、核磁共振双工器、核磁共振探头、快恢复前置放大器、多级可调增益低噪声放大链路、无源双平衡混频器、滤波放大模块、高速数字化仪、计算机和现场可编程门阵列，其中：

恒温晶振的信号输出端与锁相环的信号输入端连接，所述恒温晶振产生低频正弦时钟本振信号并送入锁相环，并经过锁相环倍频后得到高频正弦时钟信号；锁相环的信号输出端与零度等幅功分器的信号输入端连接，由锁相环将高频正弦时钟信号送入零度等幅功分器；所述恒温晶振的信号输出端还与高速数字化仪的信号输入端连接，恒温晶振产生的低频正弦时钟本振信号还送入至高速数字化仪作为参考时钟信号；

所述零度等幅功分器的信号输出端分别与第一直接信号合成器的时钟信号输入端、第二直接信号合成器的时钟信号输入端连接，由零度等幅功分器将高频正弦时钟信号分为同样高频频率的两组正弦时钟信号后再分别送入第一直接信号合成器、第二直接信号合成器；

所述计算机中设定核磁共振脉冲序列信息，计算机与现场可编程门阵列通讯连接，由计算机将核磁共振脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，并由现场可编程门阵列将核磁共振脉冲序列信息编译为对应的调节字；所述现场可编程门阵列的数据输出端与第一直接信号合成器的数据输入端连接，由现场可编程门阵列将调节字送入第一直接信号合成器，并由第一直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生核磁共振脉冲信号；

第一直接信号合成器的信号输出端与脉冲功率放大器的信号输入端连接，脉冲功率放大器的信号输出端与核磁共振双工器的信号输入端连接，核磁共振探头与核磁共振双工器的一个信号输出端连接，第一直接信号合成器产生的核磁共振脉冲信号经脉冲功率放大器进行功率放大后送入核磁共振双工器，在核磁共振双工器中形成与核磁共振脉冲信号频率相同的核磁共振信号，核磁共振信号导入至核磁共振探头，通过核磁共振探头激励核磁共振谱仪系统中原子核体系产生粒子数翻转；

核磁共振双工器还有一个信号输出端与快恢复前置放大器的信号输入端连接，快恢复前置放大器的信号输出端与多级可调增益低噪声放大链路的信号输入端连接，多级可调增益低噪声放大链路的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接，核磁共振双工器产生的核磁共振信号还送入快恢复前置放大器，经快恢复前置放大器放大、多级可调增益低噪声放大链路调整放大后送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的一路输入；

现场可编程门阵列的数据输出端还与第二直接信号合成器的数据输入端连接，第二直接信号合成器的信号输出端与无源双平衡混频器的另一个信号输入端连接；所述计算机中还设定有参考脉冲序列信息，由计算机将参考脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，现场可编程门阵列将参考脉冲序列信息编译为对应的新的调节字后送入第二直接信号合成器，第二直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、新的调节字产生参考脉冲信号，且第二直接信号合成器产生的参考脉冲信号与第一直接信号合成器产生的核磁共振脉冲信号之间相位相干、频率具有固定的差值；第二直接信号合成器产生的参考脉冲信号送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的另一路输入；

无源双平衡混频器的信号输出端与滤波放大模块的信号输入端连接，滤波放大模块的信号输出端与高速数字化仪的信号采样端连接，由无源双平衡混频器将两路相位相干、频率有差值的脉冲信号混频后完成下变频过程形成采样信号，采样信号经滤波放大模块滤波放大后，被高速数字化仪采集；

高速数字化仪与计算机通讯连接，高速数字化仪将来自于恒温晶振的参考时钟信号、来自于无源双平衡混频器的采样信号转换为数据后分别送入计算机，由计算机对核磁共振信号进行正交检测。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述恒温晶振还产生与本振信号同样频率的低频方波时钟信号送入高速数字化仪，以对高速数字化仪进行时间同步。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述计算机中设定的核磁共振脉冲序列信息至少包括核磁共振脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息，计算机中设定的参考脉冲序列信息至少包括参考脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述第一直接信号合成器、第二直接信号合成器均为含有多个Profile寄存器的直接数字频率合成器，现场可编程门阵列的TTL电平输出端分别与第一直接信号合成器、第二直接信号合成器的寄存器选通端连接，由现场可编程门阵列通过TTL电平选通第一、第二直接信号合成器中任意一个寄存器，其中第一直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生核磁共振脉冲信号，第二直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的新的调节字产生参考脉冲信号。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述多级可调增益低噪声放大链路为两级链路，其包括第一数控可调衰减器、第一低噪声放大器构成的第一级链路，以及第二数控可调衰减器、第二低噪声放大器构成的第二级链路，其中第一数控可调衰减器的信号输入端与快恢复前置放大器的信号输出端连接，第一数控可调衰减器的信号输出端与第一低噪声放大器的信号输入端连接，第一低噪声放大器的信号输出端与第二数控可调衰减器的信号输入端连接，第二数控可调衰减器的信号输出端与第二低噪声放大器的信号输入端连接，第二低噪声放大器的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述现场可编程门阵列的数据输出端分别与高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的触发输入端连接，计算机中还设定有高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的控制指令，现场可编程门阵列将控制指令分别转换为数字信号后对应送入高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器。

所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述滤波放大模块包括带通滤波器、第三低噪声放大器，带通滤波器的信号输入端与无源双平衡混频器的信号输出端连接，带通滤波器的信号输出端与第三低噪声放大器的信号输入端连接，第三低噪声放大器的信号输出端与高频数字化仪的信号采样端连接。

本发明包括核磁共振发射机部分和核磁共振接收机部分，本发明的原理是：

核磁共振发射机部分： 与一般信号源相比，数字式直接信号合成器具有频率、相位、幅度可调范围广、步进值极低、控制精度高的优点，且其基本原理决定了它具有快速频率、相位、幅度调制的独特优点，非常适合核磁共振应用。本发明通过计算机串口或网口发出频率、相位、幅度信息至现场可编程门阵列，经编译后将相关参数输出至第一、第二直接信号合成器，配置好直接信号合成器的多个Profile寄存器（对应不同的相位差以及幅度）；然后由现场可编程门阵列编译核磁共振脉冲序列，由现场可编程门阵列的3个TTL输出引脚来控制第一直接信号合成器输出具有不同相位编码的核磁共振脉冲信号。该低功率的核磁共振脉冲信号由脉冲功率放大器放大至100W量级后输出至核磁共振双工器并导入至核磁共振探头，以激励原子核体系发生粒子数翻转。

对于第一、第二直接信号合成器的高速时钟，本发明采用高精度10MHz的恒温晶振配合锁相环提供低于1ppm的极稳定时钟，由锁相环倍频至3500MHz后分为两路：一路供给上述射频发射机部分的第一直接信号合成器；另一路供给探测回路的第二直接信号合成器。本发明利用该方式产生了相位相干、频率差距10MHz的两路脉冲信号，分别用于射频激励与核磁共振信号探测。

经过调试，本发明核磁共振系统的发射机部分具有以下指标：频率范围为1MHz-1.4 GHz，对应磁场强度高至32.88 Tesla强磁场；频率分辨率为32位，最小频率步进值低于1Hz；相位调制范围为0-360度，调制切换时间低于300纳秒，相位调制分辨率为16位，可控相位误差为0.005度；射频开关速度为0.1 us;窄带无杂散动态范围优于-60 dBc。

核磁共振接收机部分：本发明基于中频采样、数字式正交检测方式进行核磁共振信号的高信噪比采集。核磁共振信号首先经核磁共振双工器输出至快恢复前置放大器放大后，经过一系列可调增益低噪声放大链路输入至无源双平衡混频器，在无源双平衡混频器中与相位相干且频率差约10MHz的参考脉冲信号混频、滤波，实现信号的下变频过程。然后该信号由低噪声放大器进一步放大并输出至高速数字化仪。高速数字化仪由10MHz恒温晶振同步，并采集10MHz恒温晶振输出的本振信号。通过计算机计算，实现对核磁共振信号的正交检测。本发明中由10MHz恒温晶振输出的方波时钟信号来同步高速数字化仪的采样时钟对于提升正交采集的相位精度非常重要。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明利用数字直接信号合成器产生强磁场核磁共振所需高频、高精度射频脉冲序列，并利用10MHz中频采样，数字式正交检测实现对核磁共振信号的高信噪比采集，取得了优点与有益效果：

（1）谱仪系统构造简单：系统主要采用了两片直接信号合成芯片、一片现场可编程门阵列以及不到10片射频器件，构造简单，可操作性强。数字电路部分采用可重复擦写的可编程器件，射频信号的产生采用方便调试的数字化方式进行，为谱仪系统的研发降低的难度，缩短了研发周期。

（2）成本低廉：本发明所述系统所包含的全部芯片数量极少，且芯片功能强大，所需外围电路简单，且全部均为成熟产品，总共成本不超过6万元。这与商业谱仪系统动辄几十万元的成本相比，价格十分低廉，具有竞争力。

（3）性能明显优于现有系统：在射频脉冲产生方面，采用数字式直接信号合成的方式，相比于多路射频信号混频的方式谐波抑制比更高，频率、相位、幅度精度以及可调最小步长均优于传统的谱仪系统。在核磁共振信号采集方面，采用数字式正交检测，从根本上消除了传统谱仪所难以解决的镜像信号干扰的问题。

附图说明

图1是本发明结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，包括10MHz恒温晶振、锁相环、零度等幅功分器、第一直接信号合成器、第二直接信号合成器、脉冲功率放大器、核磁共振双工器、核磁共振探头、快恢复前置放大器、多级可调增益低噪声放大链路、无源双平衡混频器、滤波放大模块、高速数字化仪、计算机和现场可编程门阵列，其中：

恒温晶振的信号输出端与锁相环的信号输入端连接，恒温晶振产生10MHz、0dBm的正弦时钟本振信号并送入锁相环，并经过锁相环倍频后得到3500MHz、3dBm的正弦时钟信号；锁相环的信号输出端与零度等幅功分器的信号输入端连接，由锁相环将3500MHz、3dBm的正弦时钟信号送入零度等幅功分器；恒温晶振的信号输出端还与高速数字化仪的信号输入端连接，恒温晶振产生的10MHz、0dBm的正弦时钟本振信号还送入至高速数字化仪作为参考时钟信号；

零度等幅功分器的信号输出端分别与第一直接信号合成器的时钟信号输入端、第二直接信号合成器的时钟信号输入端连接，由零度等幅功分器将3500MHz、3dBm的正弦时钟信号转换为两组3500MHz、0dBm正弦时钟信号后再分别送入第一直接信号合成器、第二直接信号合成器；

计算机中设定核磁共振脉冲序列信息，计算机与现场可编程门阵列通讯连接，由计算机将核磁共振脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，并由现场可编程门阵列将核磁共振脉冲序列信息编译为对应的调节字；现场可编程门阵列的数据输出端与第一直接信号合成器的数据输入端连接，由现场可编程门阵列将调节字送入第一直接信号合成器，并由第一直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的3500MHz、0dBm正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生10MHz-1000MHz、﹤0dBm的核磁共振脉冲信号；

第一直接信号合成器的信号输出端与脉冲功率放大器的信号输入端连接，脉冲功率放大器的信号输出端与核磁共振双工器的信号输入端连接，核磁共振探头与核磁共振双工器的一个信号输出端连接，第一直接信号合成器产生的10MHz-1000MHz、﹤0dBm的核磁共振脉冲信号经脉冲功率放大器进行功率放大后，得到10MHz-1000MHz、﹥50dBm的核磁共振脉冲信号送入核磁共振双工器，在核磁共振双工器中形成与核磁共振脉冲信号频率相同的10MHz-1000MHz、-100dBm的核磁共振信号，核磁共振信号导入至核磁共振探头，通过核磁共振探头激励核磁共振谱仪系统中原子核体系产生粒子数翻转；

核磁共振双工器还有一个信号输出端与快恢复前置放大器的信号输入端连接，快恢复前置放大器的信号输出端与多级可调增益低噪声放大链路的信号输入端连接，多级可调增益低噪声放大链路的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接，核磁共振双工器产生的10MHz-1000MHz、-100dBm的核磁共振信号还送入快恢复前置放大器，经快恢复前置放大器放大、多级可调增益低噪声放大链路调整放大后送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的一路输入；

现场可编程门阵列的数据输出端还与第二直接信号合成器的数据输入端连接，第二直接信号合成器的信号输出端与无源双平衡混频器的另一个信号输入端连接；计算机中还设定有参考脉冲序列信息，由计算机将参考脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，现场可编程门阵列将参考脉冲序列信息编译为对应的新的调节字后送入第二直接信号合成器，第二直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的3500MHz、0dBm正弦时钟信号、新的调节字产生20MHz-1010MHz、=0dBm的参考脉冲信号，且第二直接信号合成器产生的20MHz-1010MHz、=0dBm的参考脉冲信号与第一直接信号合成器产生的10MHz-1000MHz、﹤0dBm核磁共振脉冲信号之间相位相干、频率相差10MHz；第二直接信号合成器产生的参考脉冲信号送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的另一路输入；

无源双平衡混频器的信号输出端与滤波放大模块的信号输入端连接，滤波放大模块的信号输出端与高速数字化仪的信号采样端连接，由无源双平衡混频器将两路相位相干、频率有差值的脉冲信号混频后完成下变频过程形成采样信号，采样信号经滤波放大模块滤波放大后，被高速数字化仪采集；

高速数字化仪与计算机通讯连接，高速数字化仪将来自于恒温晶振的参考时钟信号、来自于无源双平衡混频器的采样信号转换为数据后分别送入计算机，由计算机对核磁共振信号进行正交检测。

本发明中，恒温晶振还产生与本振信号同样频率的10MHz低频方波时钟信号送入高速数字化仪，以对高速数字化仪进行时间同步。

本发明中，计算机中设定的核磁共振脉冲序列信息至少包括核磁共振脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息，计算机中设定的参考脉冲序列信息至少包括参考脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息。

本发明中，第一直接信号合成器、第二直接信号合成器均为含有八个Profile寄存器的型号为AD9914的直接数字频率合成器，现场可编程门阵列的TTL电平输出端分别与第一直接信号合成器、第二直接信号合成器的寄存器选通端连接，由现场可编程门阵列通过TTL电平选通第一、第二直接信号合成器中任意一个寄存器，其中第一直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生核磁共振脉冲信号，第二直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的新的调节字产生参考脉冲信号。

本发明中，多级可调增益低噪声放大链路为两级链路，其包括第一数控可调衰减器、第一低噪声放大器构成的第一级链路，以及第二数控可调衰减器、第二低噪声放大器构成的第二级链路，其中第一数控可调衰减器的信号输入端与快恢复前置放大器的信号输出端连接，第一数控可调衰减器的信号输出端与第一低噪声放大器的信号输入端连接，第一低噪声放大器的信号输出端与第二数控可调衰减器的信号输入端连接，第二数控可调衰减器的信号输出端与第二低噪声放大器的信号输入端连接，第二低噪声放大器的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接。

本发明中，现场可编程门阵列的数据输出端分别与高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的触发输入端连接，计算机中还设定有高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的控制指令，现场可编程门阵列将控制指令分别转换为数字信号后对应送入高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器。

本发明中，滤波放大模块包括10MHz带通滤波器、第三低噪声放大器，带通滤波器的信号输入端与无源双平衡混频器的信号输出端连接，带通滤波器的信号输出端与第三低噪声放大器的信号输入端连接，第三低噪声放大器的信号输出端与高频数字化仪的信号采样端连接。

本发明通过10MHz恒温晶振产生3路相位差固定的射频输出用于同步射频输出、信号检测以及高速采样仪。利用现场可编程门阵列控制该谱仪系统的工作频率、相位、脉冲强度以及核磁共振脉冲序列。通过对接收的核磁共振进行低噪声放大、混频滤波以及数字化正交采样过程，实现对核磁共振信号的高信噪比探测。在实际应用中，将核磁探头放置于稳态磁场中，利用该谱仪系统即可实现对核磁共振信号的有效探测。除强磁场（高于20Tesla）下的凝聚态核磁共振实验以外，该谱仪系统也可应用于超导磁体、常规电磁铁以及永磁铁搭配核磁共振探头系统上的一般分析用核磁共振信号采集。

本发明通过上述工作原理，大大简化了用于强磁场下的凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，降低了谱仪研制过程中的技术风险与不稳定因素，提升了谱仪研发效率，并在核磁共振实验中得到了更好的信噪比。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：包括恒温晶振、锁相环、零度等幅功分器、第一直接信号合成器、第二直接信号合成器、脉冲功率放大器、核磁共振双工器、核磁共振探头、快恢复前置放大器、多级可调增益低噪声放大链路、无源双平衡混频器、滤波放大模块、高速数字化仪、计算机和现场可编程门阵列，其中：

恒温晶振的信号输出端与锁相环的信号输入端连接，所述恒温晶振产生低频正弦时钟本振信号并送入锁相环，并经过锁相环倍频后得到高频正弦时钟信号；锁相环的信号输出端与零度等幅功分器的信号输入端连接，由锁相环将高频正弦时钟信号送入零度等幅功分器；所述恒温晶振的信号输出端还与高速数字化仪的信号输入端连接，恒温晶振产生的低频正弦时钟本振信号还送入至高速数字化仪作为参考时钟信号；

所述零度等幅功分器的信号输出端分别与第一直接信号合成器的时钟信号输入端、第二直接信号合成器的时钟信号输入端连接，由零度等幅功分器将高频正弦时钟信号分为同样高频频率的两组正弦时钟信号后再分别送入第一直接信号合成器、第二直接信号合成器；

所述计算机中设定核磁共振脉冲序列信息，计算机与现场可编程门阵列通讯连接，由计算机将核磁共振脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，并由现场可编程门阵列将核磁共振脉冲序列信息编译为对应的调节字；所述现场可编程门阵列的数据输出端与第一直接信号合成器的数据输入端连接，由现场可编程门阵列将调节字送入第一直接信号合成器，并由第一直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生核磁共振脉冲信号；

第一直接信号合成器的信号输出端与脉冲功率放大器的信号输入端连接，脉冲功率放大器的信号输出端与核磁共振双工器的信号输入端连接，核磁共振探头与核磁共振双工器的一个信号输出端连接，第一直接信号合成器产生的核磁共振脉冲信号经脉冲功率放大器进行功率放大后送入核磁共振双工器，在核磁共振双工器中形成与核磁共振脉冲信号频率相同的核磁共振信号，核磁共振信号导入至核磁共振探头，通过核磁共振探头激励核磁共振谱仪系统中原子核体系产生粒子数翻转；

核磁共振双工器还有一个信号输出端与快恢复前置放大器的信号输入端连接，快恢复前置放大器的信号输出端与多级可调增益低噪声放大链路的信号输入端连接，多级可调增益低噪声放大链路的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接，核磁共振双工器产生的核磁共振信号还送入快恢复前置放大器，经快恢复前置放大器放大、多级可调增益低噪声放大链路调整放大后送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的一路输入；

现场可编程门阵列的数据输出端还与第二直接信号合成器的数据输入端连接，第二直接信号合成器的信号输出端与无源双平衡混频器的另一个信号输入端连接；所述计算机中还设定有参考脉冲序列信息，由计算机将参考脉冲序列信息送入现场可编程门阵列，现场可编程门阵列将参考脉冲序列信息编译为对应的新的调节字后送入第二直接信号合成器，第二直接信号合成器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、新的调节字产生参考脉冲信号，且第二直接信号合成器产生的参考脉冲信号与第一直接信号合成器产生的核磁共振脉冲信号之间相位相干、频率具有固定的差值；第二直接信号合成器产生的参考脉冲信号送入无源双平衡混频器，作为无源双平衡混频器的另一路输入；

无源双平衡混频器的信号输出端与滤波放大模块的信号输入端连接，滤波放大模块的信号输出端与高速数字化仪的信号采样端连接，由无源双平衡混频器将两路相位相干、频率有差值的脉冲信号混频后完成下变频过程形成采样信号，采样信号经滤波放大模块滤波放大后，被高速数字化仪采集；

高速数字化仪与计算机通讯连接，高速数字化仪将来自于恒温晶振的参考时钟信号、来自于无源双平衡混频器的采样信号转换为数据后分别送入计算机，由计算机对核磁共振信号进行正交检测。

2.根据权利要求1所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述恒温晶振还产生与本振信号同样频率的低频方波时钟信号送入高速数字化仪，以对高速数字化仪进行时间同步。

3.根据权利要求1所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述计算机中设定的核磁共振脉冲序列信息至少包括核磁共振脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息，计算机中设定的参考脉冲序列信息至少包括参考脉冲的频率信息、幅度信息、相位信息。

4.根据权利要求1所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述第一直接信号合成器、第二直接信号合成器均为含有多个Profile寄存器的直接数字频率合成器，现场可编程门阵列的TTL电平输出端分别与第一直接信号合成器、第二直接信号合成器的寄存器选通端连接，由现场可编程门阵列通过TTL电平选通第一、第二直接信号合成器中任意一个寄存器，其中第一直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的调节字产生核磁共振脉冲信号，第二直接信号合成器中被选通的寄存器基于零度等幅功分器输出的正弦时钟信号、现场可编程门阵列输出的新的调节字产生参考脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述多级可调增益低噪声放大链路为两级链路，其包括第一数控可调衰减器、第一低噪声放大器构成的第一级链路，以及第二数控可调衰减器、第二低噪声放大器构成的第二级链路，其中第一数控可调衰减器的信号输入端与快恢复前置放大器的信号输出端连接，第一数控可调衰减器的信号输出端与第一低噪声放大器的信号输入端连接，第一低噪声放大器的信号输出端与第二数控可调衰减器的信号输入端连接，第二数控可调衰减器的信号输出端与第二低噪声放大器的信号输入端连接，第二低噪声放大器的信号输出端与无源双平衡混频器的一个信号输入端连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述现场可编程门阵列的数据输出端分别与高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的触发输入端连接，计算机中还设定有高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器的控制指令，现场可编程门阵列将控制指令分别转换为数字信号后对应送入高速数字化仪、第一数控可调衰减器、第二数控可调衰减器、脉冲功率放大器。

7.根据权利要求1所述的一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构，其特征在于：所述滤波放大模块包括带通滤波器、第三低噪声放大器，带通滤波器的信号输入端与无源双平衡混频器的信号输出端连接，带通滤波器的信号输出端与第三低噪声放大器的信号输入端连接，第三低噪声放大器的信号输出端与高速数字化仪的信号采样端连接。

Images