DE4207045C2

DE4207045C2 - Digitales Frequenzerzeugungsgerät

Info

Publication number: DE4207045C2
Application number: DE4207045A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Frank
Original assignee: Bruker Medizintechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: GB9303585D0; GB2264830A; GB2264830B; DE4207045A1; US5399984A

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Frequenzerzeugungsgerät mit einer Ausgangsstufe und einem ersten digitalen Frequenz generator, der an seinem Ausgang ein erstes Signal mit einer wählbaren ersten Frequenz f₁ und mit einer ersten Phasenlage ϕ₁ erzeugt, welches auf die Ausgangsstufe des Frequenzerzeu gungsgerätes derart geschaltet werden kann, daß am Ausgang der Ausgangsstufe ein Signal mit der ersten Frequenz f₁ und der ersten Phasenlage ϕ₁ ansteht, wobei zu beliebigen Zeitpunkten die erste Frequenz f₁ am Ausgang der Ausgangsstufe auf eine wählbare zweite Frequenz f₂ mit bezüglich der ersten Frequenz f₁ definiertem, insbesondere kontinuierlichem Phasenanschluß umschaltbar ist.

Ein solches Frequenzerzeugungsgerät ist beispielsweise bekannt aus dem Handbuch "PTS Frequency Synthesizers" der Firma Pro grammed Test Sources Inc. von 1988.

Digitale Frequenzerzeugungsgeräte (= Frequenzsynthesizer) haben generell die Aufgabe, an ihrem Ausgang Frequenzsignale mit wählbarer Frequenz von hoher Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen. In der Regel handelt es sich dabei um Sig nale, mit sinusförmigem Amplitudenverlauf. Typische Anwen dungen für solche Frequenzsignale liegen auf den Gebieten der Kommunikationstechnik, der Erzeugung und Verarbeitung von Radarimpulsen bzw. Radarechos, automatischen Testsystemen zur Überwachung der Stabilität von zeitlich konstanten oder zeitlich veränderlichen Größen und dem weiten Feld der Erzeugung und Analyse von Frequenzspektren.

Die Umschaltung des Ausgangssignales eines digitalen Frequenz erzeugungsgerätes nach dem Stand der Technik von einer ersten ausgewählten Frequenz auf eine zweite erfolgt üblicherweise phasenkontinuierlich, d. h., daß zum Zeitpunkt der Umschaltung Amplitude und Phase des Ausgangssignales mit der ersten Frequenz f₁ übereinstimmen mit Amplitude und Phase des Ausgangssignales bei der zweiten Frequenz f₂. Bei einem Zurückschalten des Ausgangssignales von der Frequenz f₂ auf die Frequenz f₁ wird das Ausgangssignal ebenfalls phasen kontinuierlich fortgesetzt mit dem aktuellen Amplituden- und Phasenwert des f₂-Signales zum Zeitpunkt der Rückumschaltung auf die Frequenz f₁. Da die ursprüngliche Phase des ersten Ausgangssignals mit der Frequenz f₁ nicht gespeichert ist und bei der Rückumschaltung von der Frequenz f₂ auf die Frequenz f₁ die gerade anstehende Phase weitergeführt wird, geht bei mehrfacher Frequenzumschaltung bei einem herkömmlichen digi talen Frequenzerzeugungsgerät die Phasenkohärenz mit dem Ursprungssignal prinzipiell verloren.

Aus der US 4,659,999 ist ein Frequenzsynthesizer bekannt, der phasenkohärent und phasenkontinuierlich von einer Frequenz f₁ auf eine zweite Frequenz f₂ umschaltbar ist, jedoch kann die Umschaltung immer nur zu starr festgelegten Zeiten erfolgen. Obwohl der bekannte Frequenzsynthesizer mit einer großen Anzahl von nebeneinander laufenden Oszillatoren sehr aufwendig aufgebaut ist, ist eine Frequenzumschaltung zu beliebigen Zeitpunkten damit dennoch nicht möglich.

In dem oben erwähnten Handbuch wird zwar die prinzipielle Mög lichkeit einer phasenkohärenten Umschaltung zu beliebigen Zeitpunkten angedeutet, bei der beispielsweise nach einer Schaltungssequenz des Ausgangssignales von einer ursprüng lichen Frequenz f₁ auf eine weitere Frequenz f₂ und wieder zurück auf die Frequenz f₁ das neue Signal mit der Frequenz f₁ phasenkohärent zu dem ursprünglichen Signal mit der Frequenz f₁ fortgesetzt wird, jedoch ist diese Möglichkeit nur für Umschaltungen oberhalb von Frequenzschritten der Größenordnung 1 MHz vorgesehen, wobei die entsprechenden Frequenz verschiebungen zwischen den gewählten Frequenzen nicht in digitaler, sondern in direkt-analoger Technik durch Mischen von festen, phasenstarren Oszillatorfrequenzen aus einer Systemuhr erzeugt werden.

Bei vielen technischen Anwendungen, insbesondere aber bei An wendungen auf dem Gebiet der Kernspinresonanz ist es jedoch wünschenswert, bei einer Rückschaltung von der zweiten gewählten Frequenz auf die erste Frequenz ein Ausgangssignal zu erhalten, das die gleiche Phasenlage aufweist, die das ursprüngliche Signal bei der ersten Frequenz zum Zeitpunkt der Rückumschaltung aufwiese, wenn keine Umschaltung dazwischen stattgefunden hätte, wobei aber die Frequenzverschiebungen beim Umschalten weit unterhalb des 1-MHz-Bereiches liegen, so daß die Anwendung der geschilderten direkt-analogen Mischtechnik ausscheidet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein digitales Frequenzerzeugungsgerät der eingangs beschriebenen Art bereit zustellen, bei dem die Frequenzumschaltung zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen kann, mit dem aber eine mehrfache, phasenkohärente Frequenzumschaltung des Ausgangs signales möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Frequenzerzeugungsgerät einen zweiten digitalen Frequenz generator aufweist, der an seinem Ausgang ein zweites Signal mit der wählbaren zweiten Frequenz f₂ erzeugt, daß der Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators alternativ zum Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators auf die Aus gangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes geschaltet werden kann, während der erste digitale Frequenzgenerator unabhängig davon weiterläuft, und daß anschließend wieder der Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators alternativ zum Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators auf die Ausgangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes geschaltet werden kann. Dabei weist der erste digitale Frequenzgenerator ein Phasenin krementierglied, ein Addierglied und ein Phasenregister auf, wobei das Phaseninkrementierglied im Takt einer Systemuhr das Addierglied veranlaßt, den Phasenwert ϕ₁, welchen das Phasenregister an den Ausgang des ersten digitalen Frequenz generators gibt, um ein festes Phaseninkrement Δϕ₁ zu erhöhen; der zweite digitale Frequenzgenerator weist ein Pha seninkrementierglied, ein Addierglied, einen Multiplexer und ein Phasenregister auf, wobei das Phaseninkrementierglied im Takt der Systemuhr das Addierglied veranlaßt, den Phasenwert ϕ₂, welchen das Phasenregister an den Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ₂ zu erhöhen, falls der Multiplexer den Ausgang des Addiergliedes an den Eingang des Phasenregisters schaltet, oder wobei der Multiplexer veranlaßt durch ein Signal aus einem Steuerglied den Ausgang des Addiergliedes des ersten digitalen Frequenzgenerators auf den Eingang des Phasenregisters des zweiten digitalen Frequenzgenerators schaltet; veranlaßt durch das Steuerglied schaltet ein wei terer Multiplexer schließlich alternativ den Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators oder den Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators an den Eingang der Aus gangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes.

Eine solche Anordnung zweier digitaler Frequenzgeneratoren erlaubt eine phasenkontinuierliche Umschaltung von einer ersten auf eine zweite wählbare Frequenz sowie eine phasen kohärente Rückschaltung von der zweiten auf die erste Fre quenz. Der erste digitale Frequenzgenerator wirkt dabei als "Master" und läuft permanent durch, während der zweite digi tale Frequenzgenerator von Fall zu Fall ein Ausgangssignal mit einer anderen wählbaren Frequenz als der des ersten digitalen Frequenzgenerators und mit kontinuierlich auf den letzten Phasenwert des Signals aus dem ersten digitalen Fre quenzgenerator umschaltbarer Phase liefert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Frequenzerzeugungsgerätes sind sowohl der erste als auch der zweite digitale Frequenzgenerator auf einem einzigen FPGA (free programmable gate array) integriert. Dadurch wird das Frequenzerzeugungsgerät besonders billig und kompakt und das ohnehin benötigte FPGA wird optimal ausgenutzt. Durch die Verwendung von nur einem statt zweier Bauteile erhöht sich auch die Ausfallsicherheit des Gerätes.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Ausgängen der beiden digitalen Frequenzgeneratoren und der Ausgangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes ein Multiplexer vorgesehen, der als Umschalter wirkt, so daß nur ein Signal an die Ausgangsstufe weitergegeben wird. Dadurch steht jeweils lediglich ein Ausgangssignal am Ausgang des aus dem Frequenz erzeugungsgerätes an, so daß auch nur ein einziger Signalabgriff nötig ist.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Phasenan schluß beim Umschalten von der ersten Frequenz f₁ auf die zweite Frequenz f₂ frei wählbar ist. Dies kann am einfachsten dadurch realisiert werden, daß zu dem im zweiten digitalen Frequenzgenerator erzeugten Signal ein einstellbarer Phasen- Offset-Wert addiert wird.

Besonders geeignet für NMR-Anwendungen ist eine Ausführungs form des erfindungsgemäßen Frequenzerzeugungsgerätes, bei dem die Frequenzen f₁, f₂ im Bereich 10 MHz bis einige 100 MHz liegen. Vorzugsweise erfaßt die Frequenzverschiebung Werte von Δf = | f₁ - f₂ | < 100 kHz, insbesondere < 10 kHz.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der im zweiten digitalen Frequenzgenerator zusätzlich ein von der Systemuhr getaktetes Phasenverschiebeglied sowie ein weiteres Addierglied vorgesehen ist, wobei ein Eingang des weiteren Addiergliedes mit dem Ausgang des Phasenregisters und ein anderer Eingang des weiteren Addiergliedes mit dem Ausgang des Phasenverschiebegliedes, an dem ein wählbares Phasen-Offset- Signal ansteht, verbunden ist, und wobei der Ausgang des weiteren Addiergliedes den Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators bildet.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Frequenzerzeugungsgerätes weist die Ausgangsstufe ein Speicherglied mit einer digitalen Sinus-Tabelle auf, die dem am Eingang der Ausgangsstufe anstehenden digitalen Phasensignal den zugehörigen digitalen Amplitudenwert einer normierten digitalisierten Sinuskurve zuordnet, welcher in einem der digitalen Sinus-Tabelle nachgeschalteten Digital- Analog-Konverter (DAC) zu einem analogen Frequenzsignal umgewandelt werden kann.

Bevorzugt ist schließlich eine Weiterbildung dieser Ausfüh rungsform, bei der dem Digital-Analog-Konverter ein Tiefpaß- Filter nachgeschaltet ist, dessen Ausgang den Ausgang der Ausgangsstufe bildet. Dieses Tiefpaß-Filter dient zur Glättung der treppenförmigen, quasi-analogen Ausgangssignale, so daß am Ausgang der Ausgangsstufe letztlich ein Sinus-Signal steht.

Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des oben beschrie benen erfindungsgemäßen digitalen Frequenzerzeugungsgerätes ist die Kernspinresonanz (NMR)-Technik. Da mit den herkömm lichen Frequenzerzeugungsgeräten nach dem Stand der Technik keine phasenkohärente, sondern lediglich eine phasenkonti nuierliche Frequenzumschaltung möglich war, konnte in einer Meßsequenz, bei der zur Anregung oder Detektion mehr als eine Frequenz benötigt wird, bei vorgegebenen Umschaltzeiten nur in genau definierten Frequenzschritten auf die verschiedenen Frequenzen umgeschaltet werden, um die in vielen NMR- Experimenten erforderliche Phasenkohärenz zu gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Frequenzerzeugungsgerät gestattet es in vorteilhafter Weise, ein NMR-Verfahren bereitzustellen, bei dem kohärente Kernspinanregungen bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen zu beliebigen Zeitpunkten in einer Sequenz möglich sind.

Dabei wird eine Sequenz von Hochfrequenz (HF)-Impulsen in einen Meßraum einer NMR-Apparatur eingestrahlt, welche Sequenz mindestens einen Anregungsimpuls mit einer Frequenz f_A und einer Phase ϕ_A zum Anregen ausgewählter Kernspins eines im Meßraum befindlichen Probenkörpers enthält, und bei dem mindestens ein weiterer HF-Impuls, gegebenenfalls ein Re ferenzimpuls mit einer Frequenz f_R und einer Phase ϕ_R verwendet wird und noch einmal ein HF-Impuls der Frequenz f_A und einer bezüglich ϕ_A definierten Phase ϕ_A′.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen digitalen Frequenzerzeugungsgeräts gestattet es, daß alternativ der Anregungsimpuls oder der weitere HF-Impuls dem Ausgang eines digitalen Frequenzerzeugungsgerätes, das in der oben beschriebenen Art ausgebildet ist, entnommen wird, wobei von der Anregungsfrequenz phasenkontinuierlich auf die weitere HF-Frequenz umgeschaltet und die weitere HF-Frequenz phasenkohärent auf die Anregungsfrequenz zurückgeschaltet wird. Durch die Möglichkeit der jederzeitigen phasenkohärenten Rückumschaltung auf die Bezugsfrequenz bleibt der Phasen zusammenhang mit dem ersten HF-Impuls der Frequenz f_A bei einer weiteren Anregung mit der Frequenz f_A trotz zwischen zeitlicher Frequenzumschaltungen erhalten.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Anwendung des oben genannten Verfahrens in der NMR-Bildgebung. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung einer Multi-Slice-RARE Impulssequenz als NMR-Bildgebungssequenz.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entneh menden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungs form dieses erfindungsgemäßen digitalen Frequenzer zeugungsgerätes;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Phasenentwicklung bei phasen kontinuierlicher Frequenzumschaltung nach dem Stand der Technik bzw. bei phasenkohärenter Frequenzum schaltung gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 ein schematisches Zeitdiagramm einer RARE-Meßsequenz mit Anregungs- und Echoimpulsen sowie Frequenzen- und Gradientenverläufen.

Die üblichen Frequenzerzeugungsgeräte arbeiten im Hochfrequenz (HF)-Bereich und erzeugen sehr genaue, hochsta bile und schnelle umschaltbare Frequenzsignale. Innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches können sie entweder manuell oder durch Fernbedienung auf praktisch jede beliebi ge Ausgangsfrequenz programmiert werden. Diese Ausgangs frequenz ist so genau und stabil wie der eingebaute Frequenzstandard, der üblicherweise aus einem Kristall oszillator besteht, oder wie ein externer Präzisionsstan dard, der anstelle eines eigenen internen Standards an den Frequenzgenerator angeschlossen werden kann. Wenn besonders hohe Stabilitäten erwünscht sind, werden oftmals Atom- oder Molekülstandards benutzt.

Um eine Ausgangsfrequenz von einem Referenzstandard zu erzeugen, benutzen moderne Frequenzsynthesizer drei unter schiedliche Technologien einzeln oder in Kombination, näm lich die direkt-analoge, die indirekt-digitale und die direkt-digitale Frequenzerzeugung. Die Erfindung bezieht sich lediglich auf ein Frequenzerzeugungsgerät mit direkt- digitaler Technologie.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes digitales Frequenzerzeugungsgerät 1 mit einem ersten digitalen Fre quenzgenerator 10, einem zweiten digitalen Frequenzgenerator 20 und einer Ausgangsstufe 30. Der erste digitale Frequenz generator 10 besteht aus einem Phaseninkrementierglied 11, einem Addierglied 12 und einem Phasenregister 13. Das Phaseninkrementierglied 11 enthält ein vorwählbares festes Phaseninkrement Δϕ₁, das im Takt einer Systemuhr 2 im Addierer 12 zu einem im Phasenregister 13 befindlichen Phasenwert hinzuaddiert wird. Die Summe aus der Addition dieser beiden Werte wird vom Addierer 12 an das Phasen register 13 weitergegeben, welches sie am Ausgang 19 des ersten Frequenzgenerators 10 als erstes Phasensignal bereit stellt.

Der zweite digitale Frequenzgenerator 20 weist ein Phasen inkrementierglied 21, ein Addierglied 22, einen Multiplexer 24 und ein Phasenregister 23 auf. Ebenso wie beim ersten digitalen Frequenzgenerator 10 addiert das Addierglied 22 zu dem aus dem Phaseninkrementierglied bereit gestellten vor wählbaren Phaseninkrement Δϕ₂ den im Phasenregister 23 an stehenden Phasenwert. Die Summe aus dieser Addition wird in den Multiplexer 24 eingegeben. In den anderen Eingang des Multiplexers 24 wird der Ausgangswert aus dem Addierglied 12 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 eingegeben. Ange steuert durch ein Steuerglied 3 gibt der Multiplexer 24 ent weder den Phasenwert aus dem Addierglied 22 oder den Phasen wert aus dem Addierglied 12 an den Eingang des Phasenre gisters 23 weiter. Das Phasenregister 23 wiederum gibt den aktuell anstehenden Phasenwert im Takt der Systemuhr 2 an ein weiteres Addierglied 26 weiter, in dem ein wählbarer Phasen-Offset-Wert aus einem Phasenverschiebeglied 25 zu dem Phasenwert aus Phasenregister 23 hinzuaddiert wird. Die Summe aus dieser Addition steht am Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20 als zweites Phasensignal an.

Die Signale der Ausgänge 19 und 29 des ersten digitalen Fre quenzgenerators 10 und des zweiten digitalen Frequenz generators 20 werden den Eingängen eines Multiplexers 4 zu geführt, der aufgrund eines Steuersignals aus dem Steuer glied 3 alternativ entweder das eine oder das andere der beiden Phasensignale an den Eingang der Ausgangsstufe 30 weiterleitet.

Die Ausgangsstufe 30 wiederum besteht im dargestellten Aus führungsbeispiel aus einem Speicherelement, das eine digitale Sinus-Tabelle 31 enthält, einem Digital-Analog-Kon verter (DAC) 32 sowie einem Tiefpaß-Filter 33. In der Sinus- Tabelle 31 wird dem anstehenden Phasensignal aus dem Multi plexer 4 der zugehörige digitale Amplitudenwert einer nor mierten digitalen Sinuskurve zugeordnet und an den nach geschalteten Digital-Analog-Konverter 32 weitergereicht. Im Takt der Systemuhr 2 gibt der Digital-Analog-Konverter 32 das jeweils anstehende Amplitudensignal, das dem jeweils anstehenden Phasenwert entspricht, in das Tiefpaß-Filter 33 weiter, wo eine zeitliche Glättung der treppenkurvenförmigen Amplitudenwerte aus dem Digital-Analog-Konverter 32 erfolgt, so daß am Ausgang 39 der Ausgangsstufe 30 schließlich ein sinusförmiges analoges Frequenzsignal abgegriffen werden kann.

Beim Betrieb des Frequenzerzeugungsgerätes 1 wird zunächst eine erste Frequenz f₁ ausgewählt, die im ersten digitalen Frequenzgenerator 10 erzeugt, und über den Multiplexer 4 an die Ausgangsstufe 30 weitergereicht wird, an deren Ausgang 39 dann ein entsprechendes analoges sinusförmiges Frequenz signal abgegriffen werden kann. Die Größe der Frequenz f₁ wird über den wählbaren Eingabewert Δϕ₁ im Phaseninkre mentierglied 11 in Verbindung mit der Referenzfrequenz aus der Systemuhr 2 bestimmt.

Wird nun vermittels des Steuergliedes 3 auf eine zweite wählbare Frequenz f₂ aus dem zweiten digitalen Frequenz generator 20 umgeschaltet, so kann das Ausgangssignal mit der zweiten Frequenz f₂ entweder bei einem beliebig vorgeb baren Phasen-Offset-Wert aus dem Phasenverschiebeglied 25 beginnen, falls vorher das Phasensignal aus dem Phasen register 23 auf Null gesetzt wurde, vorausgesetzt, daß auf grund eines entsprechenden Signales aus dem Steuerglied 3 der Multiplexer 24 das Phasensignal aus dem Addierglied 22 an das Phasenregister 23 weitergibt. In diesem Falle steht am Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20 ein sowohl nach der Frequenz als auch nach der Phasenlage vom vorhergehenden ersten Signal aus dem ersten digitalen Frequenzgenerator 10 völlig unabhängiges zweites Signal am Eingang des Multiplexers 4 an, welches aufgrund eines Steuerimpulses aus dem Steuerglied 3 vom Multiplexer 4 an die Ausgangsstufe 30 weitergegeben wird.

Falls jedoch das Steuerglied 3 den Multiplexer 24 im ersten "aktiven" Takt des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20 dazu veranlaßt, als erstes Phasensignal das Signal aus dem Addierglied 12 an das Phasenregister 23 weiterzugeben, gibt das Addierglied 26 an den Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20 als Phasensignal das zuletzt am Addierglied 12 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 anstehende Phasensignal erhöht um den Phasen-Offset-Wert aus dem Phasenverschiebeglied 25. Falls der Phasen-Offset-Wert im Phasenverschiebeglied 25 zu Null gewählt wurde, so steht also im Augenblick der Umschaltung auf den zweiten digitalen Frequenzgenerator 20 an dessen Ausgang 29 ein Phasensignal an, das gleich dem aktuellen Phasensignal am Ausgang 19 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 ist. Damit ist der phasenkontinuierliche Anschluß des zweiten Signales an das erste Signal gegeben. Im nächsten Taktschritt aus der Systemuhr 2 wird das Steuerglied 3 den Multiplexer 24 derart umschalten, daß nur noch die Phasenwerte aus dem Addierglied 22 an das Phasenregister 23 weitergegeben werden. Beim zwei ten Takt steht dann also im Phasenregister 23 ein Phasen signal an, das dem um das Phaseninkrement Δϕ₂ aus dem Phasen inkrementierglied 21 erhöhten letzten Phasenwert aus dem Addierglied 12 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 entspricht. Dieser Wert wird im folgenden dann bei jedem Systemtakt jeweils um das vom Phaseninkrement Δϕ₁ unter schiedliche Phaseninkrement Δϕ₂ erhöht, so daß das Phasen signal am Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenz generators 20 ab dem Zeitpunkt des Umschaltens nach Durch laufen der Ausgangsstufe 30 am Ausgang 39 ein Frequenzsignal mit der zweiten Frequenz f₂ bewirkt.

Bei der Rückumschaltung auf die erste Frequenz f₁ wird über das Steuerglied 3 der Multiplexer 4 veranlaßt, statt des Phasensignales aus dem Ausgang 29 des zweiten digitalen Fre quenzgenerators 20 nunmehr wiederum das Phasensignal aus dem Ausgang 19 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 an die Ausgangsstufe 30 weiterzuleiten. Da der erste digitale Fre quenzgenerator 10 in der Zwischenzeit unabhängig vom zweiten digitalen Frequenzgenerator 20 weitergelaufen ist, erfolgt also die Rückumschaltung auf das Frequenzsignal mit der er sten Frequenz f₁ phasenkohärent zu dem ursprünglichen Fre quenzsignal mit der Frequenz f₁.

Die obigen Ausführungen werden in Fig. 2 illustriert, wo in der unteren Bildhälfte das zeitliche Umschalten der Frequenz f des Ausgangssignales zwischen den beiden Frequenzen f₁ und f₂ dargestellt ist. Die obere Bildhälfte zeigt jeweils punk tiert die ungestörten zeitlichen Entwicklungen der zugehöri gen Phasen ϕ₁ bzw. ϕ₂. Mit einer gestrichelten Linie ist der Phasenverlauf bei phasenkontinuierlichen Umschaltungen zwischen den Frequenzen f₁ und f₂ dargestellt, wie er nach dem Stand der Technik erfolgt. Wie oben erläutert, gibt das erfindungsgemäße digitale Frequenzerzeugungsgerät die Möglichkeit zu jeweils phasenkohärenten Umschaltungen zwischen den Frequenzen f₁ und f₂. Die zugehörige Kurve im Phasendiagramm von Fig. 2 ist mit Kreisen dargestellt. Die andere Option, nämlich eine phasenkontinuierliche Um schaltung von der Frequenz f₁ auf die Frequenz f₂ und eine phasenkohärente Zurückschaltung von der Frequenz f₂ auf die Frequenz f₁ ist im Phasendiagramm mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.

Ein Hauptanwendungsgebiet für die Möglichkeit der phasenko härenten Frequenzumschaltung ist die Kernspinresonanz (NMR)- Technik. Die Frequenzen, die dort Anwendung finden, liegen typischerweise im Bereich zwischen 10 MHz bis einigen 100 MHz. Die Frequenzverschiebung Δf = | f₁ - f₂ | beim Um schalten zwischen zwei Frequenzen f₁ und f₂ ist typischer weise kleiner als 10 kHz.

Bei NMR-Experimenten wird eine Sequenz von HF-Impulsen in einen Meßraum eingestrahlt, in welchem ein Probenkörper einem starken homogenen Magnetfeld B₀ ausgesetzt ist. Eine solche NMR-Meßsequenz enthält mindestens einen Anregungs impuls mit einer Frequenz f_A und einer Phase ϕ_A zum Anregen ausgewählter Kernspins im Probenkörper. Bei schicht selektiver Anregung der Kernspins wird zusätzlich ein magne tisches Gradientenfeld, der sogenannte Schicht selektionsgradient G_S in den Meßraum eingestrahlt, das in der Überlagerung mit dem homogenen magnetischen Grundfeld B₀ ein in einer Raumrichtung linear veränderliches magnetisches Feld ergibt. Wenn nun ein HF-Impuls mit einer Frequenz f_R eine Anregung der Kernspins in einer Schicht senkrecht zur Richtung des linearen Schichtselektionsgradienten G_S bewirkt, so erzeugen andere Anregungsimpulse mit Frequenzen kleiner als f_R Anregungen in dazu parallelen Schichten in Gradienten richtung gesehen vor der erstgenannten Schicht und An regungsimpulse mit Frequenzen größer als f_R Anregungen in parallelen Schichten hinter der erstgenannten Schicht. Bei der Auswahl einer Schicht können bei entsprechender räumlicher Ausdehnung des Meßraums die Anregungsfrequenzen an den beiden gegenüberliegenden Enden relativ stark von der Referenzfrequenz f_R abweichen.

Dabei ist weniger die Erzeugung der unterschiedlichen Anre gungsfrequenzen ein Problem, sondern vielmehr die Tatsache, daß bisher die Detektionselektronik für die doppelte oder gar vierfache Bandbreite ausgelegt sein muß, um die Signale einschließlich der obengenannten Frequenzverschiebung auf nehmen zu können. Das hat zur Folge, daß auch entsprechend mehr Datenspeicher vorhanden sein muß. Daher werden bei der Erfindung in vorteilhafter Weise die Signale, die aus den verschiedenen Schichten kommen, mit der Referenzfrequenz f_R, die der Resonanzfrequenz ohne Gradienten entspricht, detek tiert, so daß die Signale aller Schichten im gleichen, d. h. unverschobenen Frequenzbereich erscheinen. Beim Rückum schalten auf die jeweilige Anregungsfrequenz ist aber eine unbedingte Phasenkohärenz mit den vorherigen HF-An regungsimpulsen erforderlich. Diese wird durch den Einsatz des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Frequenzerzeugungs gerätes sichergestellt.

In Fig. 3 schließlich ist eine Anwendung der erfindungs gemäßen phasenkohärenten Frequenzumschaltung auf dem Gebiet der NMR-Bildgebungstechnik verdeutlicht. Die mit "HF" bezeichnete oberste Bildzeile zeigt HF-Anregungsimpulse einer "RARE"-Sequenz, wobei als erster Anregungsimpuls schematisch ein sogenannter 90°-Impuls und als weiterer Anregungsimpuls jeweils 180°-Impulse dargestellt sind. Zwischen den 180°-Impulsen liegen die zeitlich jeweils ab nehmenden Echoimpulse, die während des Anliegens eines Aus lesegradienten, der in der mit G_R bezeichneten letzten Zeile von Fig. 3 dargestellt ist, ausgelesen werden. Während der Dauer der HF-Impulse liegt jeweils ein mit G_S bezeichneter Schichtselektionsgradient an. Die Umschaltung zwischen der Anregungsfrequenz f_A und der Referenzfrequenz f_R ist in der zweiten und dritten Bildzeile von Fig. 3 dargestellt. Selbstverständlich muß hierbei die Umschaltung von der Referenzfrequenz f_R auf die Anregungsfrequenz f_A jeweils phasenkohärent erfolgen, während die Umschaltung von der Anregungsfrequenz f_A auf die Referenzfrequenz f_R auch phasen kontinuierlich erfolgen kann.

Ein weiteres Feld für Anwendungen eines digitalen Frequenz erzeugungsgerätes mit phasenkohärenter Frequenzumschaltung liegt auf dem Gebiet der NMR-Spektroskopie.

Claims

1. Digitales Frequenzerzeugungsgerät mit einer Ausgangs stufe und einem ersten digitalen Frequenzgenerator, der an seinem Ausgang ein erstes Signal mit einer wählbaren ersten Frequenz f₁ und mit einer ersten Phasenlage ϕ₁ erzeugt, welches auf die Ausgangsstufe des Frequenzer zeugungsgerätes derart geschaltet werden kann, daß am Ausgang der Ausgangsstufe ein Signal mit der ersten Frequenz f₁ und der ersten Phasenlage ϕ₁ ansteht, wobei zu beliebigen Zeitpunkten die erste Frequenz f₁ am Aus gang der Ausgangsstufe auf eine wählbare zweite Frequenz f₂ mit bezüglich der ersten Frequenz f₁ definiertem, insbesondere kontinuierlichem Phasenanschluß umschaltbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Frequenzerzeugungsgerät (1) einen zweiten digi talen Frequenzgenerator (20) aufweist, der an seinem Ausgang (29) ein zweites Signal mit der wählbaren zwei ten Frequenz f₂ erzeugt,
daß der Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenz generators (20) alternativ zum Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann, während der erste Frequenzgenerator (10) unabhängig davon weiterläuft,
und daß anschließend wieder der Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) alternativ zum Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann,
daß der erste digitale Frequenzgenerator (10) ein Phaseninkrementierglied (11), ein Addierglied (12) und ein Phasenregister (13) aufweist, wobei das Phasenin krementierglied (11) im Takt einer Systemuhr (2) das Addierglied (12) veranlaßt, den Phasenwert ϕ₁, welchen das Phasenregister (13) an den Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ₁ zu erhöhen;
daß der zweite digitale Frequenzgenerator (20) ein Phaseninkrementierglied (21), ein Addierglied (22), einen Multiplexer (24) und ein Phasenregister (23) aufweist, wobei das Phaseninkrementierglied (21) im Takt der Systemuhr (2) das Addierglied (22) veranlaßt, den Phasenwert ϕ₂, welchen das Phasenregister (23) an den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ₂ zu erhöhen, falls der Multiplexer (24) den Ausgang des Addiergliedes (22) an den Eingang des Phasenregisters (23) schaltet, oder wobei der Multiplexer (24), veranlaßt durch ein Signal aus einem Steuerglied (3) den Ausgang des Addiergliedes (12) des ersten digitalen Frequenz generators (10) auf den Eingang des Phasenregisters (23) des zweiten Frequenzgenerators (20) schaltet;
und daß ein Multiplexer (4), veranlaßt durch das Steuer glied (3) entweder den Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) oder den Ausgang (29) des zwei ten digitalen Frequenzgenerators (20) an den Eingang der Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) schaltet.

2. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite digitale Frequenzgenerator (10 bzw. 20) auf einem einzigen Bauteil (FPGA = Free Programmable Gate Array), das eine Anordnung programmierbarer logischer Torschaltungen enthält, integriert sind.

3. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen (19 bzw. 29) der beiden digitalen Fre quenzgeneratoren (10 bzw. 20) und der Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) ein Multiplexer (4) vorgesehen ist.

4. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenanschluß beim Umschalten von der ersten Frequenz f₁ auf die zweite Frequenz f₂ frei wählbar ist.

5. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen f₁, f₂ im Bereich 10 MHz bis einige 100 MHz liegen.

6. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Frequenzverschiebung Δf = | f₁ - f₂ | beim Umschalten zwischen den beiden Frequenzen f₁ und f₂ gilt:
Δf < 100 kHz, insbesondere Δf < 10 kHz.

7. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten digitalen Frequenzgenerator (20) zusätzlich ein von der Systemuhr (2) getaktetes Phasenverschiebeglied (25) sowie ein weiteres Addiergliedes (26) vorgesehen ist, wobei ein Eingang des weiteren Addiergliedes (26) mit dem Ausgang des Phasenregisters (23) und ein anderer Eingang des weiteren Addiergliedes (26) mit dem Ausgang des Phasenverschiebeglieds (25), an dem ein wählbares Phasen-Offset-Signal ansteht, ver bunden ist, und wobei der Ausgang des weiteren Addiergliedes (26) den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenera tors (20) bildet.

8. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus gangsstufe (30) ein Speicherglied mit einer digitalen Sinus-Tabelle (31) aufweist, die dem am Eingang der Aus gangsstufe (30) anstehenden digitalen Phasensignal den zugehörigen digitalen Amplitudenwert einer normierten digitalisierten Sinuskurve zuordnet, welcher in einem der digitalen Sinus-Tabelle (31) nachgeschalteten Digital-Analog-Konverter (32) zu einem analogen Fre quenzsignal umgewandelt werden kann.

9. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß dem Digital-Analog-Konverter (32) ein Tiefpaß-Filter (33) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang den Ausgang (39) der Ausgangsstufe (30) bildet.

10. Verwendung eines digitalen Frequenzerzeugungsgeräts nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betrieb einer Kernspinresonanz(NMR)-Apparatur.