CN1632610A

CN1632610A - 通用数字化核磁共振频率源

Info

Publication number: CN1632610A
Application number: CN 200410099267
Authority: CN
Inventors: 乔勇; 季文彬; 蒋瑜; 李鲠颖
Original assignee: SHANGHAI HUADING TECHNOLOGY AND EDUCATION EQUIPMENT Co Ltd; East China Normal University
Current assignee: SHANGHAI HUADING TECHNOLOGY AND EDUCATION EQUIPMENT Co Ltd; East China Normal University
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2005-06-29

Abstract

本发明涉及核磁共振的测量装置或仪器类，具体的讲是涉及一种用于核磁共振的通用数字化核磁共振频率源，该频率源用于核磁共振用的射频通道，包括PC机上使用的波形设置软件、单片机、FPGA、DDS器件、模拟输出部分，其特征在于所述的DDS采用的内部时钟为100MHz－400MHz，该DDS直接输出高达5－150MHz的频率，采用直接倍频的方式输出所需要的频率，DDS采用分段输出的方式，采用外部直接高频时钟输入，其优点在于：1.实现高频输出，满足高场高分辨核磁共振需求；2.分段输出，避免杂散干扰；3.幅度可调，满足不同系统需求；4.采用高频外部时钟，降级输出相位噪声；5.实现频率和相位高速切换，满足核磁共振需求。

Description

通用数字化核磁共振频率源

技术领域

本发明涉及核磁共振的测量装置或仪器类，具体的讲是涉及一种用于核磁共振的通用数字化核磁共振频率源。

背景技术

频率源是核磁共振谱仪和磁共振成像系统的重要组成部分，主要应用于激发样品的核自旋或者产生检波时的本征信号。现代核磁共振技术要求频率源具有高稳定度、高谱净度、高分辨率、低相位噪声等特性。

目前，商用核磁共振信号源较多使用模拟合成技术实现频率合成和锁相环技术。比较典型的有PTS公司(Programmed Test Sources，Inc)的频率源产品系列。为了获得磁共振实验所需的选择性脉冲，一般由外部计算机控制数模转换器(DAC)产生幅度波形，通过模拟乘法器对频率源的输出信号进行幅度调制。基于模拟混频技术的频率源为了克服不需要的信号边带，并且能够产生幅度、相位调制功能，通常结构会变得较复杂。使用锁相环技术则导致了更长的频率切换时间。

近年来，随着直接数字合成技术(Direct Digital FrequencySynthesis，DDS)的发展，数字化器件在现代核磁共振技术中得到越来越多地应用。直接数字频率合成技术是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位φ出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存在只读存储器ROM表中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，来改变相位增量，相位增量不同将导致一周期内的取样点数的不同。因角频率ω＝Δφ/Δt，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位幅值量化的数字信号，通过数模变换(DA)及低通滤波器即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。DDS具有超宽的相位频率带宽(由f_c/2^N至40％f_c)，超高的频率转换速度(μs至ns量级)，超高的频率分辨率，以及频率转换时相位保持连续，可以输出宽带的正交信号，易单片集成，易实现FSK、PSK数字调制，可以产生一般频率合成器难以产生的波形，易于微处理器控制，体积小、功耗低的特点，因此它得到了广泛应用。

考虑到在实际的核磁共振NMR应用中，NMR谱宽在一个较窄的范围内才需要高谱净度，而在这个范围之外，各种杂散干扰不会影响核磁共振信号。通常情况下，质子谱宽大概在50ppm到800ppm间，所以对DDS器件来说，能够产生足够干净的频率满足高分辨NMR的需要。

由于DDS器件内部使用了由高速数字电路构建的相位累加器和波形表以及高速数模转换器，由它产生的频率具有稳定度高，相位噪声小，频率分辨率高、频率和相位切换速度快等优点，可以有效地满足核磁共振的需要，大大简化核磁共振频率源的设计，有效的减小体积，降低成本，满足了绝大多数谱仪的需要。

但是DDS在核磁共振上应用却存在着下列问题：

1.由于DDS的工作原理是基于数字取样及数模恢复的处理，所以上述主要性能受到其工作原理的限制：根据取样定理，输出信号基波的最高频率将低于参考时钟的一半，故若要提高输出频率将受到器件(如DAC、ROM)的速度限制，所以不能满足高分辩核磁共振谱仪的需求。为了获得较高的频率，在通常的设计中仍使用了大量的模拟混频器(mixer)和模拟频率合成电路实现信号的倍频输出，不能实现在宽带范围内的频率调节。虽然也有人使用多路DDS模块和数据选通器通过内插数据点的方法获得相对较高的频率输出，但是多路DDS模块势必会增加外围器件导致成本和设计复杂度以及功耗的大大增加；

2.DDS输出的模拟信号中杂散寄生分量大，其中输出高频尤甚，它无法达到锁相环PLL频率合成的频谱纯度(主要是由于在大多数DDS内部使用了ROM波形表产生信号，由于受到集成电路工艺的限制，ROM表的规模不可能做得足够大，一般只采用相位累加器的高位对其进行寻址输出，所以在其输出谱中包含有由DDS器件的相位截断误差产生的杂散信号)；

3.在硬件上，现有的DDS很多采用了通过慢速总线如VME、ISA等访问DDS，不能快速地切换频率和相位；

4.当没有高频外部时钟时，采用DDS内部的PLL倍频器，则会引入较大相位噪声。

常用的通过DDS器件合成高频率的方式如图5所示。这些方式往往都需要外部的参考频率(如锁相环等)输入，这样的方式频率切换速度慢，系统复杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种用于核磁共振的通用数字化核磁共振频率源，该频率源以直接数字合成频率技术为基础，直接输出核磁共振频率，该频率直接对准样品的共振频率，是能够满足台式核磁共振检测装置、磁共振成像和高分辨核磁系统的频率源。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种通用数字化核磁共振频率源，用于核磁共振用的射频通道，包括PC机上使用的波形设置软件、单片机、现场可编程逻辑门阵列FPGA、直接数字频率合成(DDS，Direct Digital Frequency Synthesis)器件、模拟输出部分，其特征在于所述的DDS采用的内部时钟为100MHz-400MHz。

所述的DDS直接输出高达5-150MHz的频率，该频率直接对准样品的共振频率。

DDS可通过倍频器，采用直接倍频的方式输出所需要的频率。

DDS采用分段输出的方式，分为5-150MHz一段和280-301MHz一段输出，且这两段分别连接有带通滤波器。

模拟输出部分采用滤波、放大、可控幅度调整的方式，使最终输出信号幅度大小可调，保持波形完整。

可直接用外部100-400MHz高频时钟做为DDS的内部时钟。

上述的DDS时钟由以下方式获得：用一个低温度漂移系数、高时间稳定度的恒温晶振产生一个10MHz的频率，经过数字器件把频率打散、检波、调谐、放大，输出DDS所需要的100MHz-400MHz外部时钟。

本发明采用内部时钟为100MHz-400MHz的DDS器件，可以直接输出高达5-150MHz的频率，利用DDS非常准确的输出特性，直接对准样品的共振频率。而对于共振频率在280MHz-301MHz的样品，采用单个器件直接倍频的方式输出所需要的频率；而采用4倍频时，可以直接实现600M的频率输出。这样的方式避免了采用多路DDS输出和其他几种用DDS合成频率方式下复杂的电路，如图5所示。

本发明针对DDS器件输出时杂散寄生分量大，采用分段输出的方式，分为5-150MHz一段和280-301MHz一段。对这两段分别采用带通滤波器，滤除DDS输出的杂散频率，保证了输出频谱的纯净。同时在模拟输出部分采用滤波、放大、可控幅度调整的方式，使最终输出信号幅度大小可调，保持波形完整。

本发明在PC机上设置特定波形，并预存储特定波形在FLASH RAM中。脉冲序列执行期间，FPGA直接接管所有的控制权，不需要计算机的干预，满足数字化核磁共振谱仪频率和相位高速切换的要求。

本发明采用外部直接高频时钟(非锁相环方式)输入，避免了采用内部锁相环倍频器或者采用外部锁相环输入高相位噪声的情况。

本发明的优点在于：1、实现高频输出，满足高场高分辨核磁共振需求；2、分段输出，避免杂散干扰；3、幅度可调，满足不同系统需求；4、采用高频外部时钟，降级输出相位噪声；5、实现频率和相位高速切换，满足核磁共振需求。

附图概述

附图1为本发明组成连接框图；

附图2A为DDS示意图；

附图2B为DDS快速触发原理图；

附图3A为频率源工作流程图；

附图3B为FPGA的工作流程图；

附图4A为外部时钟工作原理；

附图4B为不同时钟方式下相位比较；

附图5A为现有技术中两个DDS输出频率直接混频滤波示意图；

附图5B为现有技术中DDS和PLL通过混频器后滤波获得高频示意图；

附图5C为现有技术中锁相环为DDS倍频的示意图；

附图5D为本发明倍频方案示意图；

附图6A为脉冲和频谱的变换；

附图6B为时域频域变换；

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，主要组成如下：(1)波形设置软件(PC机上使用)；(2)单片机，负责与周边设备通信；(3)FPGA；(4)DDS；(5)模拟输出部分，其相互作用的关系是，波形设置软件设置波形，整个频率源的核心控制由单片机完成，DDS的触发是单片机接受任务后由FPGA接管进行操作，也可以在DDS触发过程中由单片机通过中断的方式中断DDS的频率输出过程；模拟输出部分处理DDS输出的波形。

其中的波形设置软件，在PC机上完成一些特殊波形和脉冲序列的设置，比如说sinc波形，自旋回波，FSE序列等的设置。

单片机与PC的通信功能：经过波形软件设置完成后就可以通过usb2.0接口经过单片机传输到频率源里面的FlashRAM中保存。

单片机与FPGA的通信功能：通知FPGA可以传输数据到SRAM(静态RAM)；通过FPGA把板上的静态RAM中的最后一次使用的数据保存到FlashRAM。

单片机与周边设备的关系：单片机接收频率源的键盘的输入，通过这个输入，由用户来决定输出的频率和波形。

单片机控制液晶屏LCD的输出——用户界面：从LCD界面用菜单方式实现与用户的交互。

FPGA触发DDS：当需要DDS工作时，首先单片机把数据通过FPGA写到静态RAM中，然后单片机释放控制权，由FPGA接管操作，触发DDS。

模拟输出部分：把DDS输出的波形通过幅度调整满足不同系统的需求。

基于直接数字合成器件(如图2A)的频率源产生的

输出频率f₀＝(FTW)(f_s)/2³² 0≤FTW≤2³²......[1]式

或者f₀＝fs×(1-(FTW/2³²))×2³¹ 2³¹≤FTW≤2³²-1

其中fs为100MHz-400MHz的外部时钟频率，FTW为频率调节字，字长为32位。

当fs＝400MHz时，DDS器件能够直接输出0-160MHz的频率。通常为了避免零频的干扰，同时也满足核磁共振本身的特性，输出一般取为5MHz--150MHz。

本发明利用DDS器件非常精准的频率微调(能够实现每隔0.1Hz输出一个频率)设定功能，使其输出的频率对准被测样品的共振中心频率；采用DDS器件内部的调制功能，直接可以产生经过调制后的频率，避免以往采用乘法器、DAC等的模拟器件带来的结构复杂等弊端；并且还可以利用DDS器件快速切换射频信号的频率、幅度、相位，实现如选择性激发、宽带激发反转等复杂的磁共振实验。而对于280MHz--301MHz的频率，通过单个倍频器直接倍频就可以得到。

现有技术中，通常情况下，DDS直接输出只用在低场低分辨的核磁共振中，若采用DDS直接输出用于高场高分辨，则DDS的内部时钟需要高达1000MHz的频率，这对设计提出了极高的要求并且成本太高，而且目前的DDS器件不能满足这样的需求。所以，本发明采用直接倍频的方式来获得高频，以应用于高场高分辨的核磁共振谱仪，由于我们DDS输出的频率分辨率完全能够满足高场高分辩的需求，虽然采用直接倍频的方式损失了分辨率，但也满足相应的需求。

为了避免DDS器件直接输出时杂散寄生分量大的特点，同时针对核磁共振特有的特性，采用分段输出的方式，分为5MHz-150MHz和280MHz-301MHz两段。对这两段分别采用带通滤波器，滤除DDS的输出的杂散频率，保证了输出频谱的纯净。同时在模拟输出采用滤波、放大、可控幅度调整的方式，使最终输出信号幅度大小可调，保持波形完整。

在本发明中，为了降低频率源产生的相位噪声，本发明直接用外部100MHz-400MHz高频时钟做为DDS的内部时钟，避免了用DDS内部锁相环倍频带来的相位噪声。DDS时钟由以下方式获得(如图4A所示)：用一个低温度漂移系数、高时间稳定度的恒温晶振产生一个10MHz的频率，经过数字器件把频率打散，检波、调谐、放大，输出DDS所需要的400MHz外部时钟。这样获得的频率的稳定度和恒温晶振具有相同的数量级，外部时钟的稳定度直接取决于所用恒温晶振本身的特性。附图4B比较了采用内部锁相环倍频器和直接外部时钟输入时相位噪声的大小，其中曲线3为直接400MHz外部时钟，曲线2为外部时钟100MHz，用了内部PLL实现4倍频，曲线1为外部时钟20MHz，用了内部PLL实现20倍频。

本发明中为了实现核磁共振快速切换频率和相位的要求，采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和高速静态内存实现对DDS器件的快速操作(如图2B)，并且通过FPGA的数字逻辑预留了供核磁共振脉冲序列发生器快速控制此装置的外触发线。在实验中，预先把实验的频率参数存入此装置板上的高速静态内存，在进行核磁共振实验时，当使用者设定好频率和脉冲序列后，FPGA接管DDS的控制，通过FPGA内部的状态机对DDS器件进行快速操作，实现DDS输出频率的快速切换。

实施例：

设给定的核磁共振样品的中心频率为f₀＝120MHz，化学位移谱宽SW＝200kHz。此时数字化频率源的外部时钟为fs＝400MHz，频率调节字设定为FTW＝1288490189，满足[1]式的要求。由数字化频率源产生一个硬脉冲，中心频率设定为f₀＝120MHz，脉冲宽度为τ＝0.25μs，其中宽度τ满足这样的条件：(1/(2τ))＝SW，SW为谱宽。

这样，硬脉冲能够覆盖f₀±(1/(2τ))的频率范围。该硬脉冲经过傅立叶变换，如图6A，在频谱上覆盖了中心频率为120MHz，谱宽为200kHz的频带范围的，满足样品的需求。

如果样品有变化或者中心频率有所偏移，则需要在频率源控制部分以0.1Hz为步进，调节相应的中心频率设置和谱宽变化。

在核磁共振实验中往往需要选择性激发脉冲和宽带去耦脉冲，这就需要频率源能快速地切换频率、相位和幅度。频率源工作流程，如图3A所示：预先使用配置软件设置频率参数，通过USB2.0通信接口由单片机写入到板上的FlashRAM中；当频率源开始工作时，首先由单片机通过交互方式由使用者来确定频率或者选择预先设置的脉冲序列，再由单片机从FlashRAM中读出相应的数据通过FPGA写数据到静态RAM，然后单片机发出触发命令给FPGA，由FPGA接管对DDS的操作。FPGA初始化DDS，产生控制逻辑，从静态RAM中读取数据，配置DDS工作参数。在脉冲序列工作期间，根据触发脉冲，从内存中读出所需的频率、相位、幅度参数写入DDS，更新板上的DDS(如图3B)。当接收到外部的触发信号时，状态机通过串行方式读写DDS内部寄存器。本实施例中的DDS的串行时钟由FPGA对外部50MHz时钟分频后提供，最快可以达到50ns/字节配置速度。

Claims

1、一种通用数字化核磁共振频率源，包括PC机上使用的波形设置软件、单片机、现场可编程逻辑门阵列FPGA、DDS、模拟输出部分，其特征在于所述的DDS采用的内部时钟为100MHz-400MHz。

2、根据权利要求1所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS直接输出高达5-150MHz的频率，该频率直接对准样品的共振频率。

3、根据权利要求1所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS通过倍频器，采用直接倍频的方式输出所需要的频率。

4、根据权利要求1所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS采用分段输出的方式。

5、根据权利要求4所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS，分为5-125M一段和280-300M一段输出，且这两段分别连接有带通滤波器。

6、根据权利要求1所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的模拟输出部分采用滤波、放大、可控幅度调整的方式，使最终输出信号幅度大小可调，保持波形完整。

7、根据权利要求1所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于直接用外部100-400MHz高频时钟作为DDS的内部时钟。

8、根据权利要求7所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS时钟由以下方式获得：用一个低温度漂移系数、高时间稳定度的恒温晶振产生一个10MHz的频率，经过数字器件把频率打散、检波、调谐、放大，输出DDS所需要的100MHz-400MHz外部时钟。

9、根据权利要求8所述的一种通用数字化核磁共振频率源，其特征在于所述的DDS时钟由以下方式获得：用一个低温度漂移系数、高时间稳定度的恒温晶振产生一个10MHz的频率，经过数字器件把频率打散、检波、调谐、放大，输出DDS所需要的400MHz外部时钟。