PL102136B1 - A system for sweeping and modulating spectrometer frequencies - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uklad do przemiatania i modulacji czestotliwosci w spektrometrach, zwlasz¬ cza jadrowego rezonansu kwadrupolowego, którego okreslenie skrótem jest NQR, znajdujacego zastosowanie w placówkach naukowo-badawczych do kontroli jakosci i szczególowych analiz fizyko-chemicznych substancji w stanie stalym. ¦ W spektrometrach jadrowego rezonansu kwadrupolowego (NQR) stosuje sie uklady do powolnego automatycznego przemiatania czestotliwosci przy równoczesnej jej modulacji w celu przeksztalcenia sygnalu NQR na sygnal skladowej zmiennej, który po wzmocnieniu i detekcji rejestruje sie.

W znanych rozwiazaniach opisanych w publikacjach J.Smith, D. Tong, J. Phys.E. Sci.lnstrum.1,8 (1968) i D. Tong,J. Phys.E. Sci lnstrum.1, 1153 (1968) uklad przemiatania czestotliwosci spektrometru zawiera silnik elektryczny sprzezony mechanicznie z osia kondensatora zmiennego w obwodzie rezonansowym generatora wielkiej czestotliwosci. Wada tego ukladu jest zaleznosc predkosci i równomiernosci przemiatania czestotliwosci od doboru uzytych czesci mechanicznych oraz brak powtarzalnosci nastaw poczatku i konca przemiatania, na skutek bezwladnosci ukladu mechanicznego. Wady te zostaly czesciowo wyeliminowane w ukladzie opisanym przez V. Hughes, F.R. Hartley, J. Phys.E. Sci. Instrum. 8, 1027 (1975), w którym do przemiatania czestotliwosci zastosowano napiecie o liniowo narastajacym przebiegu schodkowym, przylozonym do diody pojemnosciowej w obwodzie rezonansowym detektora sygnalu NQR# otrzymane z przetwornika cyfrowo-analogowego o podwyz¬ szonej dokladnosci. Niedogodnoscia tego ukladu jest jednak ograniczenie zakresu przemiatania uzytecznym zakresem zmian pojemnosci diody pojemnosciowej.

Do modulacji czestotliwosci w opisanych wyzej ukladach stosuje sie generator przebiegu prostokatnerfa I i symetrycznej o wspólczynniku wypelnienia 0,5, z którego sygnal analogowy podawany jest na diode pojemnos¬ ciowa. Zgodnie z tym przebiegiem czestotliwosc pracy spektrometru jest modulowana skokowo z dewiacja ±A f wzgledem czestotliwosci srodkowej F0 i przybiera kolejno wartosc Af + f0, f0, f0_Af...itd. Wada tych ukladów jest ograniczenie amplitud modulacji zakresem dynamicznym diody pojemnosciowej, zaleznosc amplitudy modulacji (dewiacji) oraz szybkosci przemiatania od czestotliwosci pracy generatora wielkiej2 102 136 czestotliwosci oraz trudnosci dokladnego pomiaru modulowanej i przemiataflej czestotliwosci przy pomocy czestosciomierza zliczajacego i uzyskania powtarzalnosci nastaw wartosci czestotliwosci poczatku i konca przemiatania. Ponadto przy zastosowaniu dotychczasowych ukladów przemiatania i modulaqi czestotliwosci, rejestracja widma NQR odbywa sie faktycznie w funkcji czasu, anie w funkcji czestotliwosci, co wymaga stosowania speqanych dodatkowych kalibratorów czestotliwosci do znacznikowania skali czestotliwosci na tasmie rejestratora.

Uklad do przemiatania i modulacji czestotliwosci wedlug wynalazku zawiera syntezer czestotliwosci posiadajacy wejscia do cyfrowego sterowania nastawami czestotliwosci w kodzie pracy syntezera i wyjscie czestotliwosci przemiatanej i modulowanej. Wejscia poczawszy od wybranej pozycji kodu nastawy sa polaczone z wyjsciami rewersyjnego licznika z ukladem wpisywania za posrednictwem zespolu komutacyjnych bloków, bedacych logicznymi ukladami kombinacyjnymi, zas wejscia pozostalych pozyq"i kodów nastawy czestotliwosci syntezera sa polaczone bezposrednio z wyjsciami analogicznymi pozycji kodu rewersyjnego licznika. Kazdy z komutacyjnych bloków posiada wejscia taktujace i wyjscia sygnalu przeniesienia danego komutacyjnego bloku, przy czym wyjscia sygnalu przeniesienia danego komutacyjnego bloku sa dolaczone do wejsc taktujacych bloku nastepnego. Do wejsc taktujacych pierwszego komutacyjnego bloku dolaczone sa wyjscia taktujacego generatora modulaqi. Do wejscia zliczenia rewersyjnego licznika dolaczony jest taktujacy generator przemiatania generujacy nieprzerwany ciag impulsów. Do wejsc wpisywania rewersyjnego licznika dolaczony jest uklad wpisywania.

Oprócz tego wyjscia rewersyjnego licznika sa polaczone z irtdykacyjnym ukladem, który przedstawia stan licznika oraz z wejsciami cyfrowo-analogowego przetwornika, który odpowiednio do wag kodu rewersyjnego licznika przetwarza jego stan na sygnal analogowy na wyjsciu. ¦ Uklad wedlug wynalazku realizuje zarówno przemiatanie, jak i modulaqe czestotliwosci w spektrometrze calkowicie w oparciu o technike cyfrowa, a tym samym eliminuje znane wady stosowanych dotychczas ukladów, w których zarówno do przemiatania jak i modulaqi czestotliwosci stosowano sygnaly analogowe. < W szczególnosci w ukladzie wedlug wynalazku modulaqa czestotliwosci o wymaganym przebiegu anty sy¬ metrycznym jest wynikiem okresowego przelaczania czestotliwosci syntezera sygnalami cyfrowymi taktujacego generatora modulacji wzgledem wybranej pozycji kodu nastawy czestotliwosci, a zatem jej amplituda jest stala, scisle okreslona i niezalezna od zakresu czestotliwosci pracy. Wielkosc amplitudy tej modulacji zalezy tu jedynie od wybranego rzedu pozycji kodu nastawy wzgledem której zachodzi przelaczanie czestotliwosci syntezera, przez co mozna uzyskac bardzo duze dewiacje czestotliwosci, nieosiagalne w ukladach dotychczasowych, wykorzystujacych jako element modulacyjny diode pojemnosciowa sterowana sygnalem analogowym. Ponadto w rozwiazaniu wedlug wynalazku pomiar czestotliwosci nie jest zaburzony przez modulacje, gdyz indykacyjny uklad stanu rewersyjnego licznika pokazuje zawsze wartosc danej pozycji nastawy syntezera, wzgledem której zachodzi"przelaczanie o jedna pozyqe w góre i w dól, tzn. pokazuje zawsze dokladnie wymagana wartosc srednia. Przemiatanie czestotliwosci odbywa sie .tu poprzez kolejne przelaczanie wartosci czestotliwosci pracy syntezer^ z odpowiednio dobranym malym krokiem i tempem okreslonym czestoscia taktujacego generatora modulaqi. Dzieki temu predkosc przemiatania w tym ukladzie zalezy wylacznie ód czestotliwosci taktowania, a nie zalezy od zakresu przemiatanej czestotliwosci, co bylo nieodlaczna cecha dotychczasowych ukladów z dioda pojemnosciowa w obwodzie rezonansowym generatora wielkiej czestotliwosci spektrometru.

Wazna zaleta nowego rozwiazania jest mozliwosc automatycznej rejestraqi widma rezonansu jadrowego bezposrednio w funkcji czestotliwosci, gdyz stan rewersyjnego licznika okresla jednoznacznie czestotliwosc na wyjsciu syntezera. Po przetworzeniu tego stanu przy pomocy cyfrowo-analogowego przetwornika otrzymuje sie sygnal analogowy proporcjonalny do czestotliwosci pracy spektrometru, który mozna podac na os „X" rejestratora X—Y. Eliminuje to koniecznosc stosowania dodatkowych urzadzen do kalibracji tasmy rejestratora w jednostkach czestotliwosci, w ukladach dotychczasowych. ¦ W ukladzie wedlug wynalazku wysoka dokladnosc i powtarzalnosc nastaw czestotliwosci jest zagwaranto¬ wana zastosowana technika cyfrowa oraz bardzo duza stabilnoscia czestotliwosci syntezera, w odróznieniu od ukladu opisanego w publikacji Hughesa i Hartley'a, w którym powtarzalnosc nastaw czestotliwosci bedzie uzalezniona od stabilnosci drgan samego detektora NQR, która jest zwykle o kilka rzedów wielkosci nizsza niz stabilnosc czestotliwosci syntezera. Wymieniona ostatnia zaleta predysponuje nowy uklad przemiatania i modu¬ lacji czestotliwosci szczególnie do wspólpracy z komputerem do cyfrowej akumulacji widma, co pozwala na efektywne wydzielenie bardzo slabych sygnalów ponizej poziomu szumów spektrometru. Poza tym uklad ten w porównaniu z dotychczasowymi rozwiazaniami znacznie ulatwia obsluge spektrometru.

W celu zapewnienia wzajemnej synchronizacji uklad moze byc wzbogacany o dodatkowe polaczenie miedzy generatorem taktujacym przemiatania i taktujacym modulacji. Ponadto uklad wedlug wynalazku .w formie uproszczonej nie ma zespolu bloków komutacyjnych i wyjscia rewersyjnego licznika sa polaczone bezposrednio z wejsciami nastaw syntezera czestotliwosci.102136 3 Uklad wedlug wynalazku uwidoczniono w przykladowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 < przedstawia schemat blokowy ukladu do przemiatania i modulacji czestotliwosci, fig. 2a — wykres zaleznosci czestotliwosci w funkcji czasu na wyjsciu syntezera czestotliwosci przy wylaczonym taktujacym generatorze przemiatania, zas fig. 2b — wykres tej samej zaleznosci przy wlaczonym taktujacym generatorze przemiatania, w tej samej skali czasu.

Uklad do przemiatania i modulacji czestotliwosci w przykladowym wykonaniu wedlug wynalazku, zbudowany jest z syntezera czestotliwosci 1, zespolu komutacyjnych bloków 2 stanowiacych logiczne uklady kombinacyjne, taktujacego generatora modulacji 3, cyfrowo-analogowego przetwornika 4, indykacyjnego ukla¬ du 5, dziesietnego rewersyjnego licznika 6 z wpisywaniem, taktujacego generatora przemiatania 7 i ukladu wpisywania 8.

Syntezer czestotliwosci 1 posiada wejscia cyfrowego sterowania nastawami czestotliwosci zgrupowane w dekadach oznaczonych od 10°, 101 ... do 10n, podobnie rewersyjny licznik 6 sklada sie z takiej samej ilosci polaczonych szeregowo dekad oznaczonych od 10°, 101 do 10n. Poczawszy od wybranego numeru kolejnej dekady, kazde z wyjsc dziesieciu pozycji danej dekady oznaczonych kolejno 0, 1, 2 do 9 licznika jest polaczone z wejsciami odpowiadajacej dekady nastaw syntezera 1 równiez oznaczonych cyframi od 0, 1, 2 do 9, za posrednictwem komutacyjnych bloków 2 oznaczonych kolejno kBi, KB2 do kBp. Wyjscia pozostalych dekad rewersyjnego licznika 6 poczawszy od dekady 10° sa polaczone bezposrednio z wejsciami odpowiednich dekad nastaw syntezera. • ~ Kazdy komutacyjny blok 2 (kBi, kB2 ... kBp) jest identycznym ukladem kombinacyjnym realizujacym zdefiniowana funkcje logiczna. Posiada on dziesiec wejsc polaczonych z wyjsciami dekad rewersyjnego licznika 6 oraz dziesiec wyjsc polaczonych z wejsciami danej dekady nastaw czestotliwosci syntezera 1. Ponadto kazdy blok 2 ma trzy wejscia taktujace oznaczone Aj, A0, A+i oraz trzy wyjscia przeniesienia oznaczone B^, B0, B+i. Pierwszy komutacyjny blok 2 (kBi) jego wejscia sa polaczone z wyjsciami taktujacego generatora modulaqi 3, z którego uzyskiwane sa impulsy o zdefiniowanej sekwencji czasowej. Wejscia taktujace pozostalych komutacyjnych bloków 2 tzn. kB2 do kBp sa polaczone z odpowiadajacymi im wyjsciami przeniesienia bloków poprzedzajacych. Wyjscia trzech dekad rewersyjnego licznika wybieranych w sekwenqach jak 10° — 101 — 102, 101 — 102 — 103 do 10n"2 - 10n"1 - 10n sa przylaczone do wejsc cyfrowo-analogowego przetwornika 4, który w zaleznosci od wag kodu przetwarza sygnal cyfrowy stanu wybranej trójki dekad na sygnal analogowy. Do wejscia zliczania oznaczonego symbolem Co pierwszej dekady 10° rewersyjnego licznika 6 dolaczone jest wyjscie taktujacego generatora przemiatania 7. Do wejsc wpisywania poszczególnych dekad rewersyjnego licznika 6 podlaaczone sa wyjscia ukladu wpisywania 8, za pomoca którego wpisuje sie dowolna liczbe do zawartosci licznika. ¦ Rozwiazaniem uproszczonym jest uklad, w którym wyjscia wszystkich dekad rewersyjnego licznika 6 sa polaczone bezposrednio z wejsciami odpowiadajacych im dekad nastaw czestotliwosci syntezera 1. Ponadto w celu zsynchronizowania generowanych przebiegów jest wykonane polaczenie miedzy taktujacymi generatora¬ mi przemiatania i modulacji.¦¦¦¦¦. * Dzialanie ukladu jest nastepujace. Przed rozpoczeciem przemiatania czestotliwosci do zawartosci rewersyj¬ nego licznika 6 zostaje wpisana liczba podana z ukladu wpisywania 8. Sygnaly cyfrowe tak okreslonego stanu licznika sa podane za posrednictwem komutacyjnych bloków 2 (kBi, kB2 do kBp) i oprócz tego bezposrednio na wejscia odpowiednich dekad sterowania nastawami czestotliwosci syntezera 1 i powoduja wytworzenie na jego wyjsciu W1 czestotliwosci scisle odpowiadajacej liczbie wpisanej do rewersyjnego licznika 6. Impulsy z taktujace¬ go generatora przemiatania 7 pojawiajace sie na wejsciu zliczania Co rewersyjnego licznika 6, w przypadku zliczania „do przodu" powoduja kolejne zwiekszanie stanu licznika o jeden (1) w kazdym takcie generatora, co powoduje odpowiednie zwiekszenie o dana jednostke czestotliwosci na wyjsciu syntezera czestotliwosci 1.

Aktualny stan licznika jest zobrazowany przez indykacyjny uklad 5. W konsekwencji na wyjsciu syntezera 1 wytworzony zostaje liniowy, schodkowo narastajacy w czasie przebieg przemiatanej czestotliwoscia Analogicznie, w przypadku zliczania rewersyjnego licznika 6 „do tylu", na wyjsciu syntezera 1 wytworzony zostaje opadajacy w czasie przebieg przemiatanej czestotliwosci. < Taktujacy generator modulacji 3 wytwarza kolejno na wejsciach A-i, Ao, A+i komutacyjnego bloku 2 bezposrednio po sobie nastepujace impulsy. Komutacyjne bloki 2 (kBi, kB2 do kBp) realizuja nastepujaca funkcje logiczna: jezeli na wejsciu A-j pojawia sie logiczny stan „1" oraz stan „1" pojawia sie na k-tej pozycji dekady licznika 6 polaczonej z danym komutacyjnym blokiem 2, to stan „1" pojawia sie na wyjsciu tego bloku polaczonym odpowiednio z k-1 pozycja dekady syntezera 1. Jezeli na wejsciu A0 pojawia sie logiczne „1" oraz stan „1" pojawia sie na k-tej pozycji dekady licznika 6 polaczonej zdanym komutacyjnym blokiem 2 to stan „1" pojawia sie na wyjsciu tego bloku polaczonym równiez z k-ta pozycja dekady syntezera 1.4 102 136 stan „1" pojawia sie na k;:ej pozycji dekady licznika 6 polaczono; zdanym komutacyjnym blokiem 2 to stan „1" pojawia sie na wyjsciu tego bloku polaczonym równiez z k-ta pozycja dekady tyntezera 1.

Jezeli na wejsciu A+i pojawi sie stan „1" oraz stan „1" wystapi na k-tej pozyq i dekady licznika 6 polaczonej z danym komutacyjnym blokiem 2 to stan „1" pojawia sie na wyjsciu tego bloku polaczonym z k+1 pozyqa dekady syntezera 1. Jezeli stan „1" pojawia sie na 9-tej pozycji dekady licznika 6 polaczonej zdanym komutacyjnym blokiem 2 oraz stan „1" pojawia sie na wejsciu A+i to stan „1" pojawia sie na wyjsciu przeniesienia B+i komutacyjnego bloku 2. < Jezeli stan „1" pojawia sie na pozyq i 0 dekady licznika 6 polaczonej zdanym komutacyjnym blokiem 2 oraz stan „1" pojawia sie na wejsciu A_i to stan „1" pojawia sie na wyjsciu przeniesienia B_i komutacyjnego bloku 2. W pozostalych przypadkach stan „1" wystepuje na wyjsciu przeniesienia B0. Sygnaly przeniesien na wyjsciach (B.'i, Bo, B+i) kazdego z komutacyjnych bloków 2 (kBi, kB2 do kBp) podane sa na odpowiednie wejscia A_i, Ao* A+i bloków 2, po nich nastepujacych i wytwarzaja w nich stany zdefiniowane wyzej opisana funkqa logiczna. ¦ Uklad wedlug wynalazku mozna zastosowac do przemiatania i modulaqi czestotliwosci w spektrometrach pracujacych technika stacjonarna z wykorzystaniem superreakcyjnego, jak równiez autodynowego detektora NOR.

W pierwszym przypadku sygnal z wyjscia W1 syntezera 1 sluzy do synchronizacji detektora superreakcyj¬ nego w ukladzie podanym przez Tonga. Natomiast w przypadku detektora autodynowego, spektrometr powinien posiadac typ- wy uklad automatycznej regulacji czestotliwosci (ARC), który dostraja samo zynnie czestotliwosc autodynowego detektora NQR do wartosci aktualnej czestotliwosci na wyjsciu W1 syntezera 1. Rozwiazanie uklad bez zespolu komutacyjnych bloków 2 moze realizowac jedynie przemiatanie czestotliwosci syntezera, bez modulacj . Z tego wzgledu mozna je zastosowac w spektrometrze NQR pracujacym technika impulsowa, w której modulacja czestotliwosci jest zbedna. Ponadto uklad posiadajacy zsynchronizowane wzajemnie generatory przemiatania 7 i modulacji 3 znajduje, zastosowanie zwlaszcza nrzy wspólpracy spektrometru z komputerem do cyfrowej akunulacji widma.

We wszystkich rozwiazaniach ukladu, sygnal z wyjscia W2 cyfroy/o-analogowego przetwornika 4 podaje sie na kanal „X" rejestratora X-Yrejestrujacego sygnal NQR na wyjsciu spektrometru. r fig H f fc-Af - 0 l I I t i l-i i I i 1 1 1 1 tr~ fi9.2b

Claims (1)

1. Zastrzezenie patentowe Uklad do przemiatania i modulacji czestotliwosci w spektrometrach rejestrujac/ widmo NQR w funkcji czestotliwosci pnemiatanej, znamienny tym, ze zawiera syntezer czestotliwosci (1), który ma wejscia do cyfrowego sterowania nastawami czestotliwosci w kodzie pracy syntezera i wyjscie (Wi) czestotliwosci pomia¬ tanej i modulowanej, przy czym poczawszy od wybranej pozycji kodu nastawy wejscia sa polaczone z wyjsciami rewersyjnego licznika (6) z ukladem wpisywania (8), czesciowo za posrednictwem zespolu komutacyjnych bloków (2) a czesciowo bezposrednio z tym, ze wejscia pierwszego komutacyjnego bloku (2) kBi sa polaczone z wyjsciami taktujacego geneatora modulacji (3), a wejscia pozosta-yc!- komutacyjnych bloków (2) sa polaczone z wyjsciami przeniesienia bloków poprzedzajacych, poza tym wyjscia rewersyjnego licznika (6) sa przylaczone do wejsc cyfrowo-analogowego przetwornika (4) i indykacyjnegc ukladu (5), a oprócz tego do wejscia zliczania Co pierwszej dekady rewersyjnego licznika (6) dolaczone jest wyjscie taktujacego generatora przemiatania (7) oraz do wejsc Wpisywania rewersyjnego licznika (6) podlaczone sa wyjscia ukladu wpisywania (8).102 136 H 10" \of2.31+5to7S>9 MO /a 56 Va§\ to" fO' ZUL. ty *p^*4,*Mi---Mfl A u ^ n /o* \ I to LAL T & M /O c*