DE19828955C2 - Digitaler Schwingungserzeuger - Google Patents
Digitaler SchwingungserzeugerInfo
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/36—Electrical details, e.g. matching or coupling of the coil to the receiver
- G01R33/3607—RF waveform generators, e.g. frequency generators, amplitude-, frequency- or phase modulators or shifters, pulse programmers, digital to analog converters for the RF signal, means for filtering or attenuating of the RF signal
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Description
Die Erfindung betrifft einen digitalen Schwingungserzeuger,
der insbesondere für den Einsatz in einem Hochfrequenzsender
eines diagnostischen Magnetresonanzgerätes geeignet ist.
Bei der Magnetresonanzbildgebung wird zur Ortsauflösung die
Frequenzabhängigkeit der Magnetresonanzsignale vom Magnetfeld
ausgenutzt. Bei den heute üblichen bildgebenden Sequenzen
wird zusätzlich zum Hauptmagnetfeld ein Magnetfeldgradient im
Abbildungsbereich so eingestellt, daß nur Kerne in einer be
stimmten Schicht angeregt werden. Zum Anregen der Schicht
wird ein Hochfrequenzsignal mit einer entsprechenden Mitten
frequenz und Bandbreite in ein abzubildendes Gebiet gesendet.
Die Ortsauflösung in der Schicht erfolgt über eine anschlie
ßende Phasencodierung und beim Empfang der Magnetresonanzsi
gnale über eine Frequenzcodierung mit entsprechenden magneti
schen Gradientenfeldern.
Aus der US PS 5,170,123 ist ein Magnetresonanzgerät mit einem
digitalen Sender-Empfänger bekannt. Der digitale Sender-Emp
fänger umfaßt einen numerisch gesteuerten Modulationsoszilla
tor (NCMO), dessen Frequenz und Phase mit digitalen Steuersi
gnalen, die von einer Sequenzsteuerung erzeugt werden, vorge
geben werden können. Ein weiterer Eingang ist zur Absenkung
der Basisfrequenz vorgesehen. Der Ausgang des numerisch ge
steuerten Modulationsoszillators gibt einen Wert aus, mit dem
eine Sinustabelle in einem nachfolgenden Speicher adressiert
wird. Das Ausgangssignal wird dann im Sender einem Modulator
und im Empfänger einem Demodulator zugeführt.
In der US-Patentschrift 5,179,348 A sind digitale Schwin
gungserzeuger beschrieben, die rückgekoppelte Addierer auf
weisen. Die Ausgänge der Addierer sind über Multiplexer und
Register mit einer Look-up-Tabelle verbunden. Als Steuersi
gnale sind dem Schwingungserzeuger eine feste (ideale) Fre
quenz und eine Frequenzabweichung zuführbar, woraus in einem
Voraddierer die Frequenz des Schwingungserzeugers gebildet
wird.
Die DE 690 29 592 T2 beschreibt einen Pulsgenerator mit einem
Addierer, dessen Ausgang mit einem Verzögerungselement ver
bunden ist. Der Ausgang des Verzögerungselements ist mit ei
nem ersten Eingang verbunden. Einem zweiten Eingang des Ad
dierers wird eine konstante Erhöhungszahl zugeführt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen digitalen
Schwingungserzeuger anzugeben, mit dem auf einfache Weise die
Frequenz- und Phasenlage des Signals am Schwingungsausgang
steuerbar ist.
Die Aufgabe wird durch einen digitalen Schwingungserzeuger
gelöst, umfassend einen ersten rückgekoppelten Addierer, der
eingangsseitig mit einem ersten Steuereingang verbunden ist,
einem zweiten rückgekoppelten Addierer, der eingangsseitig
mit einem zweiten Steuereingang verbunden ist, einem Addie
rer, der eingangsseitig mit einem dritten Steuereingang und
jeweils einem Ausgang des ersten und des zweiten Addierers
verbunden ist, und einem Speicher, der eingangsseitig mit ei
nem Ausgang des Addierers und der einen ersten Schwingungs
ausgang aufweist. Damit kann die Frequenz- und Phasenlage des
Schwingungserzeugers beliebig eingestellt werden. Insbesonde
re ist damit die in diagnostischen Magnetresonanzgeräten für
die verschiedenen bildgegebenden Sequenzen erforderliche Pha
senkohärenz auf der Hochfrequenzseite leicht herzustellen. In
diesem Zusammenhang bedeutet Phasenkohärenz, daß die Phase zu
einer bestimmten Zeit einen bestimmten Wert besitzt. Durch
die Aufteilung der Frequenzsteuerung in eine konstante Basis
frequenz und eine variable Zusatzfrequenz ergibt sich bei mi
nimaler Wortlänge der digitalen Steuersignale eine hohe Ge
nauigkeit. Dabei wird dem ersten Steuereingang das bei gege
bener Taktrate die Basisfrequenz bestimmende Winkelinkrement
und dem zweiten Steuereingang das bei gegebener Taktrate den
variablen Frequenzanteil bestimmende Winkelinkrement zuge
führt. Der Nullphasenwinkel kann über den dritten Steuerein
gang zugeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus,
daß der Speicher einen zweiten Schwingungsausgang aufweist,
wobei der erste Schwingungsausgang als Inphaseausgang und der
zweite Schwinungsausgang als Quadraturausgang ausgebildet
ist. Prinzipiell kann aus einer einzigen Sinus- oder Cosinus-
Tabelle das Inphase- und das Quadratursignal erzeugt werden,
indem gleichzeitig verschiedene Speicherinhalte ausgelesen
werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ad
dierer eingangsseitig mit einem Phasenkorrekturspeicher ver
bunden. Damit können Phasenfehler der nachfolgenden Signal
kette schon über den digitalen Schwingungserzeuger selbst auf
einfache Art kompensiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besitzt der
zweite rückgekoppelte Addierer einen Rücksetzeingang. Damit
kann beim Einsatz in einem Magnetresonanzgerät nach jeder
Sendeoperation der Schwingungserzeuger zurück auf die Basis
frequenz gesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens
einer der Schwingungsausgänge mit einem Modulator verbunden.
Die volldigitale Ausgestaltung des Schwingungserzeugers als
Sender erfüllt hohe Anforderungen an die Langzeitstabilität.
Auf einfache Weise lassen sich Amplitudenfehler, die in den
Gliedern der nachfolgenden Signalkette erzeugt werden, korri
gieren, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Modulator mit einem Betragskorrekturspeicher verbunden
ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an
hand von zwei Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines digitalen Schwingungserzeu
gers und
Fig. 2 beispielhaft einen Signalverlauf des Phasenwinkels,
der den Signalformspeicher adressiert.
Bei dem in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten digitalen
Schwingungserzeuger sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
erforderliche Taktgeneratoren und Takteingänge der digitale
Bausteine nicht dargestellt. Mit üblichen Bauteilen läßt sich
der Schwingungserzeuger mit einer Taktrate von 10 MHz betrei
ben. Der digitale Schwingungserzeuger arbeitet nach dem Prin
zip eines numerisch gesteuerten Oszillators, bei dem mit Hil
fe der Phase der zu erzeugenden Schwingung ein Schwingungs
formspeicher adressiert wird. Der digitale Schwingungserzeu
ger kann in einem diagnostischen Magnetresonanzgerät einge
setzt werden zur Erzeugung und Modulation der hochfrequenten
Sendesignale im MHz-Bereich und zur Demodulation der empfan
genen Magnetresonanzsignale.
Der Schwingungserzeuger umfaßt einen ersten rückgekoppelten
Addierer 2, der eingangsseitig mit einem ersten Steuereingang
4 verbunden ist. Der Addierer 2 erhöht den am Ausgang 6 aus
gegebenen Datenwert mit jedem Takt um den am Eingang 4 anlie
genden Wert.
Ein zweiter rückgekoppelter Addierer 8 ist eingangsseitig mit
einem zweiten Steuereingang 10 verbunden. Der zweite rückge
koppelte Addierer 8 erzeugt ebenso wie der erste rückgekop
pelte Addierer 2 an seinem Ausgang 12 einen Digitalwert, der
nach jedem Takt um den am zweiten Steuereingang 10 anliegen
den Wert erhöht ist.
Die Ausgänge 6 bzw. 12 des ersten bzw. des zweiten rückgekop
pelten Addierer 2, 8 sind mit Eingängen eines Addierers 14
verbunden. Der Addierer 14 ist eingangsseitig noch mit einem
dritten Steuereingang 16 verbunden. Zusätzlich weist der Ad
dierer 14 einen Phasenkorrektureingang 18 auf.
Alle an den Eingängen des Addierers 14 anliegende Digitalwer
te werden addiert und an seinem Ausgang 20 als Phasensignal ϕ
ausgegeben. Das Phasensignal ϕ am Ausgang 20 adressiert einen
Sinus-Cosinus-Speicher 22, der einem Inphase-Schwin
gungsausgang 24 und einem Quadratur-Schwingungsausgang 26
aufweist. Die jeweiligen Wortlängen der Steuersignale und die
Taktfrequenz, womit die rückgekoppelten Addierer 2 und 8, der
Addierer 14 und der Speicher 22 arbeiten, wird durch die An
forderungen an die Genauigkeit des Schwingungssignals be
stimmt.
Der zweite rückgekoppelte Addierer 8 besitzt noch einen Rück
setzeingang 28, worüber der Ausgabewert des Addierers 8 auf
Null zurückgesetzt werden kann. Wird dann gleichzeitig als
Wert am Eingang des Addierers 8 auch der Null vorgegeben,
dann bleibt der Ausgabewert unverändert Null.
Der Inphase-Schwingungsausgang 24 und der Quadratur-
Schwingungsausgang 26 sind mit entsprechenden Eingängen eines
digitalen Einseitenbandmodulators 30 verbunden, sie können
auch - was nicht weiter ausgeführt ist - mit einem Demodula
tor zum z. B. zum Demodulieren der empfangenen Magnetreso
nanzsignale verbunden sein. Einem weiteren Eingang 32 des
Einseitenbandmodulators 30 wird ein Modulationssignal zuge
führt, womit die Inphase- und Quadraturschwingungen entspre
chend in ihrer Amplitude moduliert werden. Aus den beiden mo
dulierten Schwingungen (modulierte Inphase- und modulierte
Quadraturschwingung) wird dann das hochfrequente modulierte
Einseitenbandsignal in digitaler Form erzeugt.
Zusätzlich sind noch zwei Korrekturspeicher 34 und 36 vorhan
den, womit Signalverzerrungen in den nachfolgenden Signalket
ten kompensiert werden können. Der erste Korrekturspeicher 34
ist ausgangsseitig mit dem Modulator 30 und der zweite Kor
rekturspeicher 36 ist ausgangsseitig mit dem Phasenkorrek
tureingang 18 des Addierers 14 verbunden. Den beiden Korrek
turspeichern werden ein ideales Modulationssignal |B1| und
ein Abschwächercode-Signal (Tx Attenuator Code) als Adress-
Signale zugeführt. Zuvor, z. B. bei der Einrichtung der An
lage, ermittelte Korrekturwerte, die die Verzerrungen bzw.
die einstellbaren Abschwächungen berücksichtigen, sind in den
beiden Speichern 34, 36 abgelegt. Das dann vorverzerrte
(preemphasis) Modulationssignal wird von dem Betragskorrek
turspeicher 34 geliefert. Die beiden Speicher 34 und 36 sind
z. B. als FLASH EPROM oder EEPROM ausgeführt, die zwar mit
neuen Werten beschreibbar sind, aber auch im stromlosen Zu
stand den Speicherinhalt nicht verlieren.
Dem ersten Steuereingang 4 ist hier das Winkelinkrement ω0dt
der Basisfrequenz zugeführt. Das Winkelinkrement ω0dt bleibt
im allgemeinen über einen längeren Zeitraum konstant. Fre
quenzabweichungen Δω von der Grundfrequenz werden als varia
bles Winkelinkrement Δωdt dem zweiten Steuereingang 10 zuge
führt. Der Nullphasenwinkel ϕRF wird über den dritten Steuer
eingang dem Addierer 14 zugeführt. Auch der Nullphasenwinkel
bleibt im allgemeinen über einen längeren Zeitraum konstant.
Dagegen können über den Phasenkorrektureingang 18 Phasenkor
rekturen vorgegeben werden, die in den nachfolgenden Gliedern
der Signalverarbeitungskette, wie z. B. in einem Modulator
oder einem Leistungsverstärker, erzeugte Phasenfehler korri
gieren.
Fig. 2 zeigt nun den zeitlichen Verlauf des am Ausgang des Ad
dierers 20 erzeugten Phasensignals, jedoch ohne den von der
Grundschwingung ω0 herrührenden Anteil, also den Verlauf des
Phasenwinkels ϕ - ω0t. Zum Zeitpunkt t1 soll ein Signal er
zeugt werden, das einen Nullphasenwinkel von z. B. ϕ01 be
sitzt, symbolisiert durch einen Pfeil 37. Der Wert des Null
phasenwinkels ϕ01 wird über den Eingang 16 dem Addierer 14
zugeführt. Zusätzlich soll zu diesem Zeitpunkt die Frequenz
erhöht werden, was in Fig. 2 einen linear ansteigenden Verlauf
38 im Phasensignal bedeutet. Durch von Null verschiedene Wer
te am Phasenkorrektureingang 18 kann sich auch ein nichtline
ar ansteigender Verlauf ergeben. Der ansteigende Teil 38 ist
zum Zeitpunkt t2 beendet. Zu diesem Zeitpunkt t2 wird der
rückgekoppelte Addierer 8 über den Rücksetzeingang 28 auf z.
B. Null gesetzt, symbolisiert durch einen Pfeil 40. Zum Zeit
punkt t3 soll eine niedrigere Frequenz als die Grundschwin
gung ω0 erzeugt werden, was ein linear fallender Phasenwert
42 bedeutet. Zusätzlich soll der Phasenwinkel zum Zeitpunkt
t3 den Wert ϕ02 annehmen, was durch ein entsprechendes Steu
ersignal am dritten Steuereingang 16 bewirkt wird und durch
einen Pfeil 44 verdeutlicht ist. Auch hier kann sich aufgrund
von Werten am Phasenkorrektureingang 18 ein nichtlinearer
Verlauf ergeben. Am Ende t4 des abfallenden Teils im Phasen
verlauf wird der zweite rückgekoppelte Addierer 8 über den
Rücksetzeingang 28 zurückgesetzt (Pfeil 45).
Claims (9)
1. Digitaler Schwingungserzeuger mit einem ersten rückgekop
pelten Addierer (2), der eingangsseitig mit einem ersten
Steuereingang (4) verbunden ist, einem zweiten rückgekoppel
ten Addierer (8), der eingangsseitig mit einem zweiten Steu
ereingang (10) verbunden ist, einem Addierer (14), der ein
gangsseitig mit einem dritten Steuereingang (16) und jeweils
einem Ausgang (6 bzw. 12) des ersten und des zweiten Addie
rers (2 bzw. 8) verbunden ist, und einem Speicher (22), der
eingangsseitig mit einem Ausgang (20) des Addierers (22) und
der einen ersten Schwingungsausgang (24, 26) aufweist.
2. Digitaler Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Speicher (22) eine Sinus-Kosinus-
Tabelle enthält.
3. Digitaler Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß der Speicher (22) einen zweiten
Schwingungsausgang (26) aufweist, wobei der erste Schwin
gungsausgang (24) als Inphaseausgang und der zweite Schwin
gungsausgang (26) als Quadraturausgang ausgebildet ist.
4. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Addierer (22) ein
gangsseitig mit einem Phasenkorrektureingang (18) verbunden
ist.
5. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite rückgekoppelte
Addierer (8) einen Rücksetzeingang (28) besitzt.
6. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der
Schwingungsausgänge (24, 26) mit einem Modulator (30) verbun
den ist.
7. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 3
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingungsausgänge
(24, 26) mit einem Einseitenbandmodulator (30) verbunden
sind.
8. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 4
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkorrektureingang
(18) mit einem Phasenkorrekturspeicher (36) verbunden ist.
9. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 6
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (30) mit ei
nem Betragskorrekturspeicher (34) verbunden ist.
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