KR100282700B1 - 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 핵자기 공명의 원리를 이용하여 농수산물의 건조, 저장 및 가공에 있어서 필수적인 수분측정 장치의 신호처리회로에 관한 것으로, 상세하게는 한 개의 코일을 사용한 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)으로 고주파 자기장을 발생시키고, 감지된 핵자기 공명신호는 애널로그 신호처리를 통하여 전기적 신호로 바꾸어 주는 비파괴 수분측정장치의 신호처리회로(信號處理回路)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수소 핵자기 공명원리를 이용하여 농수산물의 건조, 저장 및 가공에 필수적인 수분측정 장치용 신호처리회로(信號處理回路)에 관한 것으로, 상세하게는 한 개의 코일을 사용한 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)으로 고주파 자기장을 발생시키고, 감지된 핵자기 공명신호는 애널로그 신호로 처리한 다음 전기적 신호로 변환하여 농수산물의 수분 등을 비파괴적으로 분석 및 측정할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 농수산물의 함수율 측정은 건조, 저장 및 가공 등에 중요한 역할을 하므로 파괴검사나 비파괴 검사 등과 같은 다양한 방법을 통하여 농수산물의 수분을 측정하고 있다. 비파괴 검사 방법으로는 고주파 저항방식, 수분 센서방식, 적외선방식 및 핵자기 공명방식 등이 사용되고 있다.
현재, 농수산물 함수율 측정에 주로 사용되는 수분센서는 응답속도가 느리고, 고주파 저항방식은 중량에 따라 측정오차가 크며, 적외선 방식은 주위 환경에 영향을 많이 받는다. 반면 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치는 정밀도가 우수하고 측정속도가 빠른 반면 다른 장치들에 비하여 제작이 어렵고 가격이 고가인 관계로 지금까지는 실험실용으로만 주로 사용되고 있다.
또한, 국내에서는 수분측정장치의 대부분을 수입에 의존할 뿐만 아니라 온라인으로 전수처리가 불가능하여 샘플링 검사에 의한 방법으로 함수율을 측정하고 있는 실정이므로 전수처리가 가능한 수분측정장치의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 수소 핵자기 공명의 기본원리를 설명하면 다음과 같다.
강한 자기장 내에 놓인 물질(시료)의 원자핵은 정자기장의 방향을 중심으로 자기장의 세기에 비례하는 일정한 주파수로 세차운동을 하게 되며, 세차운동하는 원자핵은 자기장의 세기에 비례하여 에너지 준위차가 발생하고 고주파의 전자기 복사선에 의하여 에너지를 흡수하고, 전자기 복사가 끝나면 물질이 평형상태로 돌아가면서 에너지를 발산하는 현상이 핵자기 공명의 기본 원리이다.
이 때 방출되는 에너지를 분석하여 물질의 성분분석에 이용하고 있으며, 물질이 발산하는 전자기 복사선 주파수(Larmor)는 대략 1MHz에서 600MHz 사이에 존재한다.
또한, 정자기장을 형성하는 자석상자 내의 모든 공간에서 자기장의 세기가 일정한 경우에는 공명을 일으키는 라머 주파수가 모든 공간에서 일정하지만 실제적으로는 자석상자의 설계적인 한계와 시료의 영향 등으로 인하여 자석상자 내의 정자기장 세기가 위치에 따라 불균일하게 되므로 위치에 따라 라머 주파수가 달라지게 된다.
이로 인하여 고주파 자기장을 제거하면 회전축이 고주파 자기장에 의하여 회전된 각도에서 원래 상태로 복귀하면서 고주파 자기장의 주파수와 라머 주파수의 차에 해당하는 주파수를 가지면서 지수 함수적으로 감소하는 핵자기 공명신호가 시료에서부터 방출되며, 이를 FID 신호(Free Induction Decay : 자기유도 감쇠신호)라고 한다. 고주파 자기장에 의하여 핵의 회전축이 90O회전된 상태에서 고주파 자기장을 제거하여 핵이 평형상태로 이동할 때 FID 신호의 크기는 최대가 된다.
또한, 수소 핵자기 공명(NMR)원리를 이용하여 농수산물(피시험체 또는 피측정물)중의 함수율이나 당도와 같은 성분들을 비파괴적으로 측정 및 분석할 수 있는 수소 핵자기 공명장치에 사용되는 영구자석은 가장자리나 모서리로 향할수록 자장의 세기가 강해지는 특성이 있어서 자장의 세기가 불균일 적이므로 감지할 수 있는 대역폭이 좁아지고 공명신호의 감쇠시간을 감소시켜 공명신호감지센서의 전체적인 감도를 저하시키므로, 영구자석의 대향면 전체 부분에 연성자성체로 된 폴 페이스(pole face)를 접합 고정시켜 자장의 균일도를 향상시키고, 자장의 세기가 상대적으로 강한 영구자석의 가장자리 부분과 모서리 부분에는 연성자성체로 된 쉬밍 플레이트(shimming plate)와 코너스틸(corner steel)을 부가 설치하여 자장의 균일도(분포도)와 강도를 향상시켜 감지할 수 있는 대역폭을 확장하고 공명신호의 감쇠시간 감소를 방지하여 공명신호감지센서의 전체적인 감도를 향상시킨 "자장의 강도와 균일도를 향상시킨 수소 핵자기 공명(NMR)을 이용한 농산물의 비파괴 검사장치 및 그 자석상자."를 본 출원인이 1995-16309호(1995. 6. 14.)로 특허 출원한 바 있으며, 도 1은 상기 특허출원에 제시된 자석상자(2)를 도시한 도면이다.
FID 신호를 검출하는 상기 자석상자(2)는 케이스(4)내에 시료가 지나가는 방향으로 강한 정자기장을 형성하는 상ㆍ하 영구자석(6)(8)과, 정자기장과 수직한 방향으로 고주파 자기장을 형성하는 코일(10)을 내장한 구성으로 도 1과 같은 내부구조를 가지며, 케이스(4)는 투자율이 높으면서 히스테리시스 손실이 적은 연성자성체(soft magnetic material)를 사용하여 자기차폐(magnetic shield)시킴으로써 자력손실을 줄이고 또한 외부 자기장의 영향이나 간섭을 배제하도록 한 구성이다.
상기 영구자석(6)(8)에 의하여 일정한 방향으로 강한 정자기장 BO가 형성되고, 코일(10)에 흐르는 고주파 전류에 의하여 정자기장과 수직한 방향 즉 시료 투입구의 방향으로 고주파 자기장이 형성된다.
또한, 한 개의 코일(10)을 사용하는 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)에서는 핵의 회전축이 90O회전할 시간만큼 코일(10)에 전류를 흘려 고주파 자기장을 형성하고 코일(10)에 흐르는 전류를 차단하여 고주파 자기장을 소멸시킨 후에 시료로부터 발생되는 FID 신호를 코일(10)로 감지하게 된다.
상기와 같은 원리의 핵자기 공명은 연속파에 의한 핵자기 공명(CW NMR : Continuous Wave Nuclear Magnetic Resonance)과 푸리에 변환에 의한 핵자기 공명(FT NMR : Fourier Transform NMR)으로 크게 구분할 수 있으며, 연속파 핵자기 공명(CW NMR)은 일정한 방향을 가진 강한 정자기장(靜磁氣場)과 수직한 방향으로 고주파 자기장을 형성하고, 두 자기장 내에 시료를 놓은 후에 고주파 자기장의 크기를 서서히 변화시키면서 시료에서 발생되는 핵자기 공명신호를 검출하는 방법이고, 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)은 정자기장과 수직한 방향으로 형성시킨 고주파 자기장의 크기는 일정하게 유지하면서 고주파 자기장이 인가되는 시간을 조절함으로서 시료로부터 핵자기 공명신호를 검출하는 방법이다.
연속파 핵자기 공명(CW NMR)은 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)에 비하여 하드웨어의 구성이 간단하지만 시료 한 개의 FID 신호를 검출하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있어서 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)을 주로 사용하고 있다.
푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)을 구현하는 방법에는 정자기장과 수직한 방향의 고주파 자기장을 형성하거나 시료로부터 핵자기 공명신호를 감지하는 데 사용되는 코일(coil)의 구조에 따라 두 가지로 분류된다.
첫 번째 구조에서는 고주파 자기장을 발생하는 코일과 핵자기 공명신호를 감지하는 코일이 각각 존재하고, 나머지 구조에서는 한 개의 코일을 사용하여 고주파 자기장을 발생하고 핵자기 공명신호도 감지한다.
첫 번째 구조는 정자기장을 형성하는 자석상자 내에 두 개의 코일이 내장되어야 하므로 자석상자가 커지는 단점이 있고, 두 번째 구조는 동일한 코일에서 고주파 자기장을 형성하기 위해 인가되는 고주파 신호와 코일로 감지되는 핵자기 공명신호를 적절히 분리해 내는 회로가 필요하다.
따라서, 본 발명은 한 개의 코일을 사용한 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)으로 고주파 자기장을 발생시키고, 감지된 핵자기 공명신호를 애널로그 신호로 처리하여 전기적 신호로 변환함으로써 농수산물의 수분이나 당도 등을 비파괴적으로 측정 및 분석할 수 있는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분측정 장치용 신호처리회로(信號處理回路)를 제공함에 목적이 있다.
상기목적을 달성하기 위하여 자석상자의 코일에 인가되는 고주파 신호발생 기능과, 코일에 고주파 신호를 인가하는 시간을 선택하는 기능 및 고주파 신호의 전력증폭 기능을 수행하는 고주파신호 발생부와, 자석상자의 코일로 유기되는 핵자기 공명신호를 애널로그 신호로 처리한 다음 다른 외부신호나 잡음으로부터 분리하여 순수 FID 신호(자기유도 감쇠신호)를 검출하는 FID 신호 처리부로 구성한다.
또한, 고주파신호 발생부는 고주파 발진회로와 고주파 게이트(RF Gate)신호발생기 및 고주파 전력증폭기로 구성하고, 고주파 발진회로는 자석상자 내에 있는 코일에 인가된 신호 주파수를 가지는 구형파를 발생하여 고주파 전력증폭기에 공급하고, 고주파 게이트신호 발생기는 고주파 자기장을 형성하기 위해 인가되는 시간과 그 주기에 해당되는 신호를 만들어 고주파 전력증폭기에 공급하고, 고주파 전력증폭기는 고주파 발진회로와 고주파 게이트신호 발생기의 입력을 받아 고주파 게이트가 턴-온(turn-on)되는 시간 동안 고주파 신호를 전력 증폭한 다음 송ㆍ수신 네트워크를 통하여 자석상자 내에 있는 코일로 공급하고, 송ㆍ수신 네트워크는 전력 증폭된 고주파 신호를 자석상자 내에 있는 코일에 공급하고 코일에 인가되는 고주파 신호가 소멸되면서 턴-오프(turn-off) 방출되는 핵자기 공명신호가 코일로 유기되면 이를 프리앰프(Pre Amp)로 공급하는 기능을 수행하도록 하고, 프리앰프의 입력에 나타나는 수 μV 의 핵자기 공명신호를 프리앰프에서 약 55dB 전ㆍ후로 증폭하여 대역통과 여파기로 보내고, 핵자기 공명신호는 코일에 인가되는 고주파 신호의 진폭변조 형태로 나타나므로 대역통과 여파기로 신호-대-잡음비를 개선한 다음 수신앰프에서 20dB 전ㆍ후의 신호로 증폭한 후에 동기 검파회로로 보내고, FID 신호는 동기검파를 통하여 얻도록 한다.
또한, 동기검파에 필요한 90O위상차를 가진 고주파 신호는 고주파 발진회로의 신호를 위상편이 시키는 이상기를 통하여 얻고, 위상이 90O편이 된 고주파 신호와 수신앰프의 출력에 나타나는 진폭 변조된 핵자기 공명신호는 동기검파회로에서 곱하고, 곱해진 동기 검파회로의 출력은 저역통과 여파기를 통과하면서 고주파 신호의 주파수에 2배가 된 신호성분은 소멸되고 베이스 밴드(base band)로 이동된 핵자기 공명신호만이 저역통과 여파기의 출력에 나타나도록 하고, 출력 앰프에서는 검파된 핵자기 공명신호를 일정한 비율로 증폭하여 외부로 출력하여 FID 신호를 획득하도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 - 본 발명에 사용되는 자석상자의 단면도.
도 2 - 본 발명의 회로 블럭도.
도 3 - 본 발명의 고주파 발생 및 위상편이 회로도.
도 4 - 본 발명 게이트 펄스 발생회로도.
도 5 - 본 발명 고주파 증폭회로의 등가회로도.
도 6 - 본 발명 송ㆍ수신 네트워크의 등가회로도.
도 7 - 본 발명 프리앰프의 등가회로도.
도 8 - 본 발명 신호 처리부의 등가회로도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
(2)--자석상자 (4)--케이스
(6)(8)--영구자석 (10)--코일
(12)--고주파 신호발생부 (14)--FID 신호처리부
(16)--고주파 발진회로 (18)--고주파 게이트 신호발생기
(20)--고주파 전력증폭기 (22)--트랜지스터 네트워크
(24)--프리앰프 (26)--대역통과 여파기(BPF)
(28)--수신앰프 (30)--동기검파회로
(32)--이상기(Phase Shihter) (34)--저역통과 여파기(LPF)
(36)--출력 앰프(Out amp)
도 2는 본 발명의 회로 블록도로, 푸리에 변환 핵자기 공명(FT NMR)을 위한 전자회로(電子回路)는 크게 고주파 신호발생부(12)와, FID 신호처리부(14)로 크게 나누어진다.
고주파 신호발생부(12)는 고주파 자기장을 형성하기 위하여 코일(10)로 인가하는 고주파 신호발생 기능과 코일(10)에 고주파 신호를 인가하는 시간을 선택하는 기능 및 고주파 신호의 전력증폭 기능을 수행하며, FID 신호처리부(14)는 자석상자(2) 내에 설치된 코일(10)로 유기되는 핵자기 공명신호를 애널로그 신호로 처리한 다음 다른 외부신호나 잡음으로부터 분리하여 FID 신호(자기유도 감쇠신호)를 검출하는 기능을 수행하게 된다.
도 2에서 고주파 신호발생부(12)는 고주파(Radio Frequency)발진회로(16)와, 고주파 게이트(RF Gate)신호발생기(18) 및 고주파 전력증폭기(20)로 구성된다.
고주파 발진회로(16)는 자석상자(2) 내에 위치하는 코일(10)로 인가하는 구형파 신호 주파수를 발생하여 고주파 전력증폭기(20)로 공급하고, 고주파 게이트신호 발생기(18)는 고주파 자기장을 형성하기 위해 인가되는 시간과 그 주기에 해당되는 신호를 만들어 고주파 전력증폭기(20)에 공급한다.
고주파 전력증폭기(20)에서는 고주파 발진회로(16)와 고주파 게이트신호 발생기(18)의 입력을 받아 고주파 게이트가 턴-온(turn-on)되는 시간 동안 고주파신호를 전력 증폭한 다음 송ㆍ수신 네트워크(TR Network)(22)를 통하여 자석상자(2) 내에 있는 코일(10)로 공급한다.
송ㆍ수신 네트워크(22)는 전력 증폭된 고주파 신호를 자석상자(2) 내에 있는 코일(10)에 공급하고, 코일(10)로 공급되는 고주파 신호가 소멸되면서 시료로부터 방출되는 핵자기 공명신호가 코일(10)에 유기되면 이를 프리앰프(Pre Amp)(24)로 공급하는 기능을 수행한다.
프리앰프(24)의 입력에 나타나는 수 μV 의 핵자기 공명신호는 프리앰프(24)에서 약 55dB 전ㆍ후의 세력으로 증폭하여 대역통과 여파기(BPF)(26)로 보낸다. 핵자기 공명신호는 코일(10)에 인가되는 고주파 신호의 진폭변조 형태로 나타나므로 신호-대-잡음비를 개선하기 위하여 대역통과 여파기(26)로 통과시켜 여과하고 수신앰프(Rx Amp)(28)에서 20dB 전ㆍ후의 신호로 증폭한 다음 동기검파회로(30)로 입력한다.
상기에서 FID 신호는 동기검파를 통하여 얻어지고, 동기검파에 필요한 90O위상차를 가진 고주파 신호는 고주파 발진회로(16)의 신호를 위상편이 시키는 이상기(Phase Shihter)(32)를 통하여 얻어진다.
위상이 90O편이 된 고주파 신호와 수신앰프(28)의 출력에 나타나는 진폭 변조된 핵자기 공명신호는 동기검파회로(30)에서 곱해진 다음 출력된다.
동기검파회로(30)의 출력은 저역통과 여파기(LPF)(34)를 통과하면서 고주파 신호의 주파수에 2배가 된 신호성분은 소멸되고 베이스 밴드(base band)로 이동된 핵자기 공명신호 만 저역통과 여파기(34)의 출력에 나타난다. 출력 앰프(Out amp)(36)에서는 검파 된 핵자기 공명신호를 일정한 비율로 증폭하여 외부로 출력하므로 FID 신호를 획득하게 된다.
도 3은 본 발명에 사용되는 고주파 발생회로와 위상편이 회로를 도시한 것으로, 주변온도가 30OC에서 수소 핵의 공명 주파수가 5MHz가 되도록 정자기장의 세기를 가지는 영구자석(6)(8)으로 설계된 자석상자(2)를 사용하는 경우 수소 핵자기 공명을 일으키기 위해서 5MHz 고주파 자기장을 유기하는 고주파 신호가 요구되며, 동기 검파를 위하여 위상이 90O위상편이 된 고주파 신호가 필요하다.
온도특성이나 고주파 신호의 주파수에 관계없이 항상 90O위상편이 된 고주파 신호를 얻기 위하여 도 3에 도시한 바와 같이 고주파 신호의 4배의 주파수를 가지는 신호를 클락신호로 사용하는 링 발진회로를 이용하여 자석상자(2) 내의 코일(4)에 인가되는 고주파 신호(RF SIG)와 동기검파에 사용될 90O위상편이 된 고주파 신호(RF SIG_1)를 얻을 수 있도록 하고, 위상편이 된 신호는 5MHz를 중심 주파수로하는 대역통과 여파기(26)를 통과하면서 정현파로 변환된다.
도 4는 자석상자(2) 내의 코일(10)에 인가되는 고주파 신호의 인가시간과 그 주기를 결정하는 고주파 게이트신호 발생기(18)의 등가회로를 도시한 것으로, 발진회로는 고주파 신호의 인가주기를 결정하고 프로그래머블 계수기는 고주파 신호의 인가시간을 결정한다.
상기에서 파워-온-리셋(Power-on reset)신호에 의하여 게이트 펄스(gate pulse) 신호가 "로우"(low) 상태가 되도록 초기화하는 디-플립플롭(D flipflop)(U2A)은 발진회로에서 인가되는 클락의 상승 끝(edge)부분에서 게이트 펄스신호가 "하이"(high) 상태로 바뀌며 동시에 부하(load) 상태에 있던 프로그래머블 계수기(U1)과 (U2)가 동작하여 일정시간 경과 후 출력신호(RCO)가 "하이"(high) 상태로 되면서 디-플립플롭(U2A)을 클리어(clear)시키므로 게이트 펄스 신호가 "로우"(low) 상태로 된다. 발진회로의 출력이 "로우"(low) 상태로 되면 프로그래머블 계수기는 다음 게이트 펄스신호를 발생하기 위하여 부하(load) 상태를 유지한다.
상기에서 고주파 인가주기가 100msec가 되도록 발진회로를 설계하였으며, 프로그래머블 계수기(U1)(U2)는 딥 스위치(S1)과 (S2)의 선택에 따라 고주파 신호의 주기에 2배에서 256배까지의 게이트 신호의 펄스 폭을 만들 수 있도록 하였으며, 따라서, 본 발명에서 사용된 고주파 신호는 5MHz이므로 게이트 펄스 신호의 펄스 폭은 0.4 μ sec에서 51.2 μ sec까지 변화시킬 수 있다.
도 5는 고주파 전력증폭기(20)의 등가회로도로, 고주파 신호는 엔드 게이트(U2A)와 (U2B)에 의하여 고주파 자기장의 인가시간 만큼 차단(gating)이 일어난다. 인버터 버퍼인(U3)과 (U4)는 TTL 논리회로 출력을 +15V 논리회로의 출력으로 변환해 주는 역할을 하고, 피-모스(P-MOS) 트랜지스터(Q1)와 엔-모스(N-MOS) 트랜지스터(Q2)로 구성된 고속 인버터 회로는 고출력 엔-모스(N-MOS) 트랜지스터(Q5)를 구동시키는 역할을 한다.
마찬가지로, 트랜지스터(Q3)과 (Q4)로 구성된 인버터 회로는 출력 엔-모스(N-MOS) 트랜지스터(Q6)를 구동시키는 역할을 하게 되며, 고주파 게이트(Gated RF) 신호가 "하이" 상태에서는 출력 트랜지스터(Q6)이 턴-온(turn-on)되고, "로우" 상태에서는 트랜지스터(Q5)가 동작되어 펄스 트랜스포머(T1)의 출력에는 ± 400V의 구형파가 발생된다.
도 6은 자석상자(2) 내의 시료로 짧은 시간동안 고주파 신호를 송신하고, 상기 고주파 송신이 중단되는 동안 시료로부터 방출되는 핵자기 공명신호를 수신하는 과정을 반복 전환하는 송ㆍ수신 네트워크(22) 회로를 도시한 것으로, 자석장자(2) 내에 있는 코일(10)에 고주파 자기장을 유도하기 위하여 고주파 신호를 인가하고, 상기 고주파 신호가 소멸되면 시료로부터 방출되는 핵자기 공명신호를 코일(10)로 수신한 다음 프리앰프(24)로 보내는 역할을 반복하게 된다.
고주파 게이트 신호가 소멸되면 자석상자(2) 내의 코일(10)로 유기 된 핵자기 공명신호는 그 크기가 수 μV 이므로 다이오드(D1-D4)가 오프(off) 상태로 되고 저항(R1)은 회로에서 분리되며, 코일(L2)과 콘덴서(C2)를 고주파 신호에 직렬 공진되게 구성하면 핵자기 공명신호는 공진회로의 선택도 Q만큼 증폭되어 콘덴서(C2)로 출력되어 프리앰프(24)의 입력으로 인가되며, 다이오드(D5)와 (D6)은 과도현상 시 나타날 수 있는 과전압으로부터 프리앰프(24)의 입력단을 보호하는 역할을 하게된다.
또한, 프리앰프(24)는 도 7에 주어진 등가회로 처럼 저입력 저항을 가진 저잡음 증폭기와 퀀츠(quench) 회로로 구성된다. 이중 게이트 엔-모스(N-MOS) 트랜지스터(Q4)로 초단 증폭기를 구성함으로써 송ㆍ수신 네트워크(22)에서 직렬 공진 시 콘덴서(C3) 양단에 나타나는 핵자기 공명신호의 손실을 최소화시키며, 트랜지스터(Q1)와 코일(L1)및 콘덴서(C1)로 구성되는 동조 증폭기에 의하여 고주파 신호에 진폭변조 형태로 나타나는 핵자기 공명신호 만 증폭된 다음 증폭기(A1)로 인가되고, 상기 증폭기(A1)에서 일정한 크기로 증폭된 핵자기 공명신호는 수신 앰프(28)로 입력된다.
퀀츠(Quench)회로는 자석상자(2) 내의 코일(10)로 인가되는 고주파 신호의 소멸은 게이트 펄스(gate pulse)에 의하여 순간적으로 이루어지므로 이로 인하여 공명(ringing) 현상이 나타나서 핵자기 공명신호 감지에 악영향을 미친다.
이를 최소화하기 위하여 고주파 신호가 자석상자(2)내의 코일(10)에 인가되는 순간 게이트 펄스에 의하여 트랜지스터(Q4)가 턴-온 되면서 콘덴서(C3)에 전압이 충전되면서 트랜지스터(Q2)의 게이트 전압이 상승하여 트랜지스터(Q2)가 턴-온 되며 트랜스터(Q1)의 게이트는 접지된다.
게이트 펄스가 "로우" 상태가 되면 트랜지스터(Q4)는 턴-오프(turn-off) 되지만 콘덴서(C3)에 충전된 전압은 J-FET 트랜지스터(Q3)에 의하여 서서히 방전되면서 트랜지스터(Q2)를 서서히 턴-오프 시키게 되며, 이는 고주파 자기장 유도 신호의 순간 소멸로 나타나는 공명현상을 최소화시키게 된다.
한편, 고주파 신호를 캐리어(carrier)로 하여 진폭변조 형태로 나타나는 핵자기 공명신호는 도 8에 주어진 바와 같이 수신 앰프(28)에서 증폭되어 90O위상편이 된 고주파 신호와 애널로그 곱셈회로를 통과하면서 동기 검파가 이루어지며, 동기 검파 후에 베이스 밴드(base-band)로 이동된 신호를 얻기 위하여 저역통과 여파기(34)를 통과시킨 다음 증폭기(A3)로 전압 증폭하여 원하는 FID 신호를 얻게된다.
상기 수신 앰프(28)는 증폭기(A1)과 (A2)의 입력에 대역통과 여파기 역할을 하는 직렬공진 회로(L1과 C1 및 L2와 C2)를 추가하여 신호대 잡음비를 개선하였다.
이상에서와 같이 구성된 본 발명 신호처리회로(信號處理回路)를 이용하여 핵자기 공명 수분 측정장치의 측정 및 분석속도가 빠르고 전수검사가 가능한 핵자기 공명용 수분측정장치의 개발이 가능해지며, 이외에도 핵자기 공명을 이용한 당도나 질량 등과 같이 물질의 여러 가지 성분분석에 대한 기반 기술이 확보되며, 이를 응용하여 혈당 량 측정과 같은 의료기기의 개발도 가능할 것으로 기대된다.
또한, 본 발명 신호처리회로(信號處理回路)에서 얻어지는 핵자기 공명신호를 디지털 신호로 변환하여 각종 신호처리가 용이한 디지털 신호처리 장치가 필요하며, 자석상자(2)의 온도를 일정하게 유지하고 자석상자(2)의 제작 편차로 인하여 발생되는 정자기장의 세기를 보상해 기능의 추가 개발을 할 수 있는 등의 효과가 있다.
Claims (10)
- 고주파 자기장을 형성하기 위하여 수소 핵자기 공명용 자석상자(2)의 코일(10)로 인가되는 고주파 신호발생 기능과 코일(10)에 고주파 신호를 인가하는 시간을 선택하는 기능 및 고주파 신호의 전력증폭 기능을 수행하는 고주파신호 발생부(12)와, 자석상자(2) 내에 설치된 코일(10)로 유기되는 핵자기 공명신호를 애널로그 신호로 처리한 다음 다른 외부신호나 잡음으로부터 분리하여 FID 신호(자기유도 감쇠신호)를 검출하는 FID 신호 처리부(14)로 구성하여서 된 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항에 있어서, 고주파신호 발생부(12)는 고주파 발진회로(16)와 고주파 게이트(RF Gate)신호발생기(18) 및 고주파 전력증폭기(20)로 구성하고, 고주파 발진회로(16)는 자석상자(2) 내의 코일(10)로 인가되는 신호 주파수를 가지는 구형파를 발생하여 고주파 전력증폭기(20)에 공급하고, 고주파 게이트신호 발생기(18)는 고주파 자기장을 형성하기 위해 인가되는 시간과 그 주기에 해당되는 신호를 만들어 고주파 전력증폭기(20)에 공급하고, 고주파 전력증폭기(20)는 고주파 발진회로(16)와 고주파 게이트신호 발생기(18)의 입력을 받아 고주파 게이트가 턴-온(turn-on)되는 시간 동안 고주파신호를 전력 증폭한 다음 송ㆍ수신 네트워크(22)를 통하여 자석상자(2) 내에 있는 코일(10)로 공급하고, 송ㆍ수신 네트워크(22)는 전력 증폭된 고주파 신호를 자석상자(2) 내에 있는 코일(10)로 인가하고, 코일(10)로 인가된 고주파 신호가 소멸되면서 방출되는 핵자기 공명신호가 코일(10)에 유기되면 프리앰프(24)로 공급하여 증폭한 다음 대역통과 여파기(26)로 신호-대-잡음비를 개선하여 수신앰프(28)로 다시 증폭하여 동기검파회로(30)로 보내고, 동기검파회로(30)에서 FID 신호를 얻고, 동기검파에 필요한 위상차를 가진 고주파 신호는 고주파 발진회로(16)의 신호를 위상편이 시키는 이상기(32)를 통하여 얻고, 위상이 편이 된 고주파 신호와 수신앰프(28)의 출력에 나타나는 진폭 변조된 핵자기 공명신호는 동기 검파회로(30)에서 곱하고, 동기 검파회로(30)의 출력은 저역통과 여파기(34)를 통과하면서 고주파 신호의 주파수에 2배로 된 신호성분은 소멸시켜 베이스 밴드(base band)로 이동된 핵자기 공명신호만 저역통과 여파기(34)의 출력에 나타나도록 하고, 출력 앰프(36)에서는 검파된 핵자기 공명신호를 일정한 비율로 증폭하여 외부로 출력하여 FID 신호를 획득하도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 발진회호(16) 및 위상 편이 회로는 온도특성이나 고주파 신호의 주파수에 관계없이 항상 90O위상편이 된 고주파 신호를 얻기 위하여 고주파 신호의 정수 배의 주파수를 가지는 신호를 클락신호로 사용하는 링 발진회로를 이용하여 자석상자(2) 내의 코일(4)에 인가되는 고주파 신호(RF SIG)와 동기검파에 사용될 위상편이 된 고주파 신호(RF SIG_1)를 얻도록 하고, 위상편이 된 신호는 고주파 신호의 주파수를 중심 주파수로하는 대역통과 여파기(26)를 통과하면서 정현파로 변환되도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 신호의 인가주기와 인가시간을 결정하는 고주파 게이트신호 발생기(18)는 파워-온-리셋(Power-on reset)신호에 의하여 게이트 펄스(gate pulse) 신호가 "로우"(low) 상태가 되도록 초기화하는 디-플립플롭(D flipflop)(U2A)은 발진회로에서 인가되는 클락의 상승 끝(edge)부분에서 게이트 펄스신호가 "하이"(high) 상태로 바뀌며, 동시에 부하(load) 상태에 있던 프로그래머블 계수기(U1)과 (U2)가 동작하여 일정시간 경과 후 출력신호(RCO)가 "하이"(high) 상태로 되면서 디-플립플롭(U2A)을 클리어(clear)시켜 게이트 펄스신호가 "로우"(low) 상태로 되고, 발진회로의 출력이 "로우"(low) 상태로 되면 프로그래머블 계수기는 다음 게이트 펄스신호를 발생하기 위하여 부하(load) 상태를 유지하도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 인가 주기를 결정하는 발진회로를 설계하고, 프로그래머블 계수기는 스위치(S1)과 (S2)의 값에 따라 고주파 게이트 신호의 주기에 정수 배를 가지는 게이트 펄스 신호의 폭을 만들어 게이트 신호의 펄스 폭을 변화시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 전력 증폭기(20)는 엔드 게이트(U2A)와 (U2B)에 의하여 고주파 자기장의 인가시간 만큼 고주파 신호의 차단(gating)이 일어나고, 인버터 버퍼(U3)과 (U4)는 TTL 논리회로의 출력신호 크기를 변환해 주고, P-MOS 트랜지스터(Q1)과 N-MOS 트랜지스터(Q2)로 구성된 고속 인버터 회로는 고출력 N-MOS 트랜지스터(Q5)로 구동하고, 트랜지스터(Q3)과 (Q4)로 구성된 인버터 회로는 출력 N-MOS 트랜지스터(Q6)을 구동하고, 고주파 게이트 신호 "하이" 상태에서는 출력 트랜지스터(Q6)이 턴-온 되고, "로우" 상태에서는 트랜지스터(Q5)가 동작하여 펄스 트랜스포머(T1)의 출력에 고압의 구형파가 출력되게 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 송ㆍ수신 네트워크(22)는 자석장자(2) 내에 있는 코일(10)에 고주파 자기장을 유도하기 위하여 고주파 신호를 인가하고, 또한 고주파 신호가 소멸되면 시료에서 방출되어 코일(10)로 유기되는 핵자기 공명신호를 프리앰프(24)로 보내는 역할을 반복하도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 프리앰프(24)는 저입력 저항을 가진 저잡읍 증폭기와 퀀츠(quench) 회로로 구성하되 게이트 N-MOS 트랜지스터로 초단 증폭기를 구성함으로써 송ㆍ수신 네트워크(22)에서 직렬 공진시 콘덴서 양단에 나타나는 핵자기 공명신호의 손실을 최소화하고, 트랜지스터(Q1), 코일(L1)과 콘덴서(C1)에 의해서 구성되는 동조 증폭기에 의하여 고주파 신호에 진폭변조 형태로 나타나는 핵자기 공명신호만 증폭하여 증폭기(A1)로 인가하고, 증폭기(A1)에서 큰 신호로 증폭된 핵자기 공명신호는 수신앰프(28)로 인가되게 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 신호가 자석상자(2)내의 코일(10)에 인가되는 순간 게이트 펄스에 의하여 트랜지스터(Q4)가 턴-온 되면서 콘덴서(C3)에 전압이 충전되고, 트랜지스터(Q2)의 게이트 전압이 상승하여 트랜지스터(Q2)가 턴-온 되어 트랜스터(Q1)의 게이트가 접지되고, 게이트 펄스가 "로우" 상태가 되면 콘덴서(C3)에 충전된 전압은 트랜지스터(Q3)에 의하여 서서히 방전되면 트랜지스터(Q2)를 서서히 턴-오프 시키도록 하여 고주파 자기장 유도 신호의 순간 소멸로 나타나는 공명(ringing) 현상을 최소화함으로써 공명신호 감지에 악영향을 미치지않도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고주파 신호를 캐리어(carrier)로 하여 진폭변조 형태로 나타나는 핵자기 공명신호는 수신앰프(28)로 증폭하여 위상편이 된 고주파 신호와 애널로그 곱셈회로를 통하여 동기 검파시킨 다음 베이스 밴드(base-band)로 이동된 신호를 얻기 위하여 저역통과 여파기(34)를 통과시킨 후 증폭기(A3)에서 전압 증폭하여 원하는 FID 신호를 얻도록 함을 특징으로 하는 수소 핵자기 공명을 이용한 수분 측정장치의 신호처리회로.
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