RU2614181C1 - Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer - Google Patents

Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2614181C1
RU2614181C1 RU2015150145A RU2015150145A RU2614181C1 RU 2614181 C1 RU2614181 C1 RU 2614181C1 RU 2015150145 A RU2015150145 A RU 2015150145A RU 2015150145 A RU2015150145 A RU 2015150145A RU 2614181 C1 RU2614181 C1 RU 2614181C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
frequency
input
signal
channel
Prior art date
Application number
RU2015150145A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Ицекович Рокеах
Михаил Юрьевич Артёмов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2015150145A priority Critical patent/RU2614181C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2614181C1 publication Critical patent/RU2614181C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: device comprises a signal 1 and a heterodyne 2 microwave generator, a measuring attenuator 3, a reference 4 and signal 5 channel mixer, a circulator 6, a measuring resonator 7 with an element for adjustment of its resonance frequency 8, a reference 9 and signal 10 channel intermediate-frequency amplifier, phase-frequency discriminators 11 and 12, frequency dividers 13 and 14, a reference generator 15, a frequency synthesis device 16, an analogue-to-digital converter 17, a sampling device 18, in-phase 19 and quadratic 20 channel decimation filters, a digital-to-analogue converter 21, an alternating current amplifier 22, a pulse demodulator 24 and a three-way switch 24.
EFFECT: simple device and higher reliability.
1 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).The invention relates to technical physics and can be used in the manufacture of electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometers.

Известен спектрометр ЭПР (Патент на полезную модель РФ №136578, МПК G01N 24/10, опубликован 10.01.2014), содержащий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два синхронных детектора, два делителя частоты, опорный генератор, устройство синтеза частот и переключатель режимов работ.A well-known EPR spectrometer (Utility Model Patent of the Russian Federation No. 136578, IPC G01N 24/10, published January 10, 2014) containing microwave signal and heterodyne oscillators, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, measuring attenuator, intermediate frequency amplifiers (OPC) of the reference and signal channels, two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two synchronous detectors, two frequency dividers, a reference generator, a clock synthesis device and the mode selector switch.

Недостатком устройства является невысокая точность взаимной стабилизации резонансной частоты измерительного резонатора и сигнального генератора, что связано с ограничением возможного усиления сигнала, пропорционального величине взаимной расстройки вследствие присутствия нежелательных напряжений смещения и шумов синхронного детектора и усилителя в видеополосе канала усиления.The disadvantage of this device is the low accuracy of the mutual stabilization of the resonant frequency of the measuring resonator and the signal generator, which is associated with the limitation of the possible signal amplification proportional to the magnitude of the mutual detuning due to the presence of unwanted bias voltages and noise of the synchronous detector and amplifier in the video band of the amplification channel.

Наиболее близким к изобретению является спектрометр ЭПР (Патент на полезную модель РФ №152736, МПК G01N 24/10, опубликован 20.06.2015), содержащий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два синхронных детектора, два делителя частоты, опорный генератор, устройство синтеза частот и переключатель режимов работ, импульсный модулятор фазы (0/π), усилитель переменного тока, импульсный демодулятор с фильтром на выходе, при этом основной выход сигнального генератора соединен со входом измерительного аттенюатора, а его выход соединен с первым плечом циркулятора, и сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала и с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, выход которого соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, опорный вход первого синхронного детектора соединен с выходом устройства синтеза частот, опорный вход первого фазочастотного дискриминатора соединен со вторым выходом устройства синтеза частот, причем величина частоты на нем равна частоте первого выхода, деленной на коэффициент деления первого делителя частоты, а фаза регулируется, выход смесителя опорного канала соединен со входом усилителя промежуточной частоты, выполненного в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, а его выход соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом первого фазочастотного дискриминатора, вспомогательный выход сигнального генератора соединен с делителем частоты, выход которого соединен с одним из входов второго фазочастотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом устройства синтеза частот, выход первого фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с двумя контактами первой группы трехпозиционного переключателя, общий контакт которой соединен с управляющим электродом сигнального генератора, общий контакт второй группы соединен с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, а выход опорного генератора соединен со входом устройства синтеза частот, вход импульсного модулятора соединен с выходом устройства синтеза частот с частотой, равной частоте на опорном входе первого синхронного детектора и сдвигом фазы на π/2, выход модулятора соединен с опорным входом второго синхронного детектора, а управляющий вход с дополнительным выходом устройства синтеза частот, выход второго синхронного детектора соединен со входом усилителя переменного тока, выход которого соединен со входом импульсного демодулятора, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом устройства синтеза частот, а выход через фильтр соединен с контактами в обеих группах трехпозиционного переключателя.Closest to the invention is an EPR spectrometer (Patent for a utility model of the Russian Federation No. 152736, IPC G01N 24/10, published 06/20/2015), containing microwave signal and heterodyne oscillators, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency measuring resonator, measuring attenuator, intermediate frequency amplifiers (IFA) of the reference and signal channels, two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two synchronous detectors, two frequency dividers, reference nerator, frequency synthesis device and mode switch, pulse phase modulator (0 / π), AC amplifier, pulse demodulator with filter at the output, while the main output of the signal generator is connected to the input of the measuring attenuator, and its output is connected to the first arm of the circulator , and the signal input of the reference channel mixer, the output of the local oscillator is connected to the local input of the mixer of the reference channel and to the local input of the mixer of the signal channel, the second arm of the circulator is connected with a measuring resonator equipped with an element for tuning its resonant frequency, the third arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the IF signal channel, the output of which is connected to the signal inputs of the first and second synchronous detectors, the reference input of the first synchronous detector is connected to the output of the frequency synthesis device, the reference input of the first phase-frequency discriminator is connected to the second output of the frequency synthesis device, and the frequency value on it is equal to the frequency p the first output divided by the division factor of the first frequency divider, and the phase is regulated, the output of the mixer of the reference channel is connected to the input of the intermediate frequency amplifier, made in the form of a normalizing amplifier of the voltage driver, and its output is connected to the input of the first frequency divider, the output of which is connected to the second input of the first phase-frequency discriminator, the auxiliary output of the signal generator is connected to a frequency divider, the output of which is connected to one of the inputs of the second phase-frequency discriminant a, the second input of which is connected to the output of the frequency synthesis device, the output of the first phase-frequency discriminator is connected to the control electrode of the local oscillator, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to two contacts of the first group of the three-position switch, the common contact of which is connected to the control electrode of the signal generator, the common contact of the second group connected to the tuning element of the resonant frequency of the measuring resonator, and the output of the reference generator is connected to the input of the device frequency synthesis, the input of the pulse modulator is connected to the output of the frequency synthesis device with a frequency equal to the frequency at the reference input of the first synchronous detector and phase shift by π / 2, the output of the modulator is connected to the reference input of the second synchronous detector, and the control input with an additional output of the synthesis device frequency, the output of the second synchronous detector is connected to the input of an AC amplifier, the output of which is connected to the input of a pulse demodulator, the control input of which is connected to an additional output frequency synthesis devices, and the output through the filter is connected to the contacts in both groups of the three-position switch.

Недостатком устройства является сложность как самого устройства, так, особенно, его настройки, что связано со значительным проникновением гетеродинного сигнала аналоговых смесителей на их выход, приводящего к необходимости применения сложных цепей компенсации и фильтрации нежелательных сигналов в канале усиления.The disadvantage of the device is the complexity of both the device itself and, especially, its settings, which is associated with a significant penetration of the heterodyne signal of analog mixers to their output, which leads to the need for complex compensation circuits and filtering of unwanted signals in the amplification channel.

Задача изобретения - существенное упрощение устройства и исключение процедуры его настройки, увеличение возможного усиления в канале, что приводит к уменьшению остаточной расстройки измерительного резонатора и сигнального генератора, следовательно, к повышению чувствительности спектрометра.The objective of the invention is a significant simplification of the device and the exclusion of the procedure for its adjustment, increasing the possible gain in the channel, which leads to a decrease in the residual detuning of the measuring resonator and the signal generator, and therefore, to increase the sensitivity of the spectrometer.

Поставленная задача решается за счет того, что когерентный супергетеродинный спектрометр ЭПР, включающий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два делителя частоты, опорный генератор, устройство синтеза частот, усилитель переменного тока, импульсный демодулятор с фильтром на выходе, и переключатель режимов работ, при этом основной выход сигнального генератора соединен со входом измерительного аттенюатора, а его выход соединен с первым плечом циркулятора, и сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала и с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, опорный вход первого фазочастотного дискриминатора соединен с выходом устройства синтеза частот, причем величина частоты на нем равна требуемой промежуточной частоте, деленной на коэффициент деления первого делителя частоты, а фаза регулируется, выход смесителя опорного канала соединен со входом усилителя промежуточной частоты, выполненного в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, а его выход соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом первого фазочастотного дискриминатора, вспомогательный выход сигнального генератора соединен с делителем частоты, выход которого соединен с одним из входов второго фазочастотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом устройства синтеза частот, выход первого фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с двумя контактами первой группы трехпозиционного переключателя, общий контакт которой соединен с управляющим электродом сигнального генератора, общий контакт второй группы соединен с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, выход опорного генератора соединен со входом устройства синтеза частот, выход усилителя переменного тока соединен со входом импульсного демодулятора, а выход через фильтр соединен с контактами в обеих группах трехпозиционного переключателя, согласно изобретению дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство селекции выборок (УСВ), дециматор синфазного канала, дециматор квадратурного канала и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), при этом вход АЦП соединен с выходом УПЧ сигнального канала, выход АЦП соединен со входом УСВ, один выход УСВ соединен со входом дециматора синфазного канала, второй - со входом дециматора квадратурного канала, его выход соединен со входом ЦАПа, а выход ЦАПа - со входом усилителя переменного тока, тактовый вход АЦП соединен с тактовым входом УСВ и с выходом устройства синтеза частот, частота которого равна учетверенному значению требуемой промежуточной частоты, а управляющий вход импульсного демодулятора соединен с выходом тактовой частоты УСВ.The problem is solved due to the fact that the EPR coherent superheterodyne spectrometer, including microwave signal and heterodyne oscillators, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, a measuring attenuator, and intermediate frequency amplifiers (IF) of the reference and signal channels, two phase-frequency discriminators with filters at the outputs, two frequency dividers, a reference generator, a frequency synthesis device, a variable-frequency amplifier current pulse, a demodulator with a filter at the output, and a mode switch, while the main output of the signal generator is connected to the input of the measuring attenuator, and its output is connected to the first arm of the circulator, and the signal input of the mixer of the reference channel, the output of the local oscillator is connected to the local oscillator input a mixer of the reference channel and with a heterodyne input of the mixer of the signal channel, the second arm of the circulator is connected to a measuring resonator equipped with an element for tuning its resonant clock In this case, the third arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the IF signal channel, the reference input of the first phase-frequency discriminator is connected to the output of the frequency synthesis device, and the frequency value on it is equal to the required intermediate frequency divided by the division factor of the first divider frequency, and the phase is regulated, the output of the mixer of the reference channel is connected to the input of the intermediate frequency amplifier, made in the form of a normalizing amplifier of the voltage driver, and its output connected to the input of the first frequency divider, the output of which is connected to the second input of the first phase-frequency discriminator, the auxiliary output of the signal generator is connected to the frequency divider, the output of which is connected to one of the inputs of the second phase-frequency discriminator, the second input of which is connected to the output of the frequency synthesis device, the output of the first phase-frequency the discriminator is connected to the control electrode of the local oscillator, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to two contacts of the first three-position switches, the common contact of which is connected to the control electrode of the signal generator, the common contact of the second group is connected to the resonant frequency tuning element of the measuring resonator, the output of the reference generator is connected to the input of the frequency synthesis device, the output of the AC amplifier is connected to the input of the pulse demodulator, and the output through the filter is connected to the contacts in both groups of the three-position switch, according to the invention further comprises an analog-to-digital converter An indexer (ADC), a sampling device (SUS), an in-phase channel decimator, a quadrature channel decimator and a digital-to-analog converter (DAC), while the ADC input is connected to the output of the signal converter channel, the ADC output is connected to the USV input, one USS output is connected with the input of the common-mode channel decimator, the second with the input of the quadrature channel decimator, its output is connected to the input of the DAC, and the output of the DAC is connected to the input of the AC amplifier, the clock input of the ADC is connected to the clock input of the SPM and the output of the frequency synthesis device, frequency which is equal to the quadruple value of the required intermediate frequency, and the control input of the pulse demodulator is connected to the output of the clock frequency of the SPM.

На чертеже представлена блок-схема когерентного супергетеродинного спектрометра ЭПР.The drawing shows a block diagram of a coherent superheterodyne EPR spectrometer.

Устройство содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смеситель опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6, измерительный резонатор 7 с элементом перестройки его резонансной частоты 8, УПЧ опорного 9 и сигнального 10 каналов, фазочастотные дискриминаторы 11 и 12, делители частоты 13 и 14, опорный генератор 15, устройство синтеза частот 16, аналого-цифровой преобразователь 17, устройство селекции выборок 18, дециматоры синфазного 19 и квадратурного 20 каналов, цифро-аналоговый преобразователь 21, усилитель переменного тока 22, импульсный демодулятор 23 и трехпозиционный переключатель 24.The device contains a signal 1 and heterodyne 2 microwave generators, a measuring attenuator 3, a mixer of reference 4 and a signal of 5 channels, a circulator 6, a measuring resonator 7 with an element for tuning its resonant frequency 8, an amplifier of reference 9 and a signal of 10 channels, phase-frequency discriminators 11 and 12, frequency dividers 13 and 14, reference oscillator 15, frequency synthesis device 16, analog-to-digital converter 17, sampling device 18, in-phase decimators 19 and quadrature 20 channels, digital-to-analog converter 21, amplifier alternating current 22, a pulse demodulator 23 and a three-position switch 24.

Работа устройства поясняется следующим рассмотрением.The operation of the device is illustrated by the following consideration.

Сигнал ПЧ s(t) на выходе УПЧ сигнального канала 10 при соответствующем выборе начальной фазы пропорционаленThe IF signal s (t) at the output of the IF signal channel 10 with a corresponding choice of the initial phase is proportional

s(t)=I(t)cos(ωt)-Q(t)sin(ωt),s (t) = I (t) cos (ωt) -Q (t) sin (ωt),

гдеWhere

ω - промежуточная частота.ω is the intermediate frequency.

Здесь I(t) (синфазный сигнал) несет информацию о сигнале поглощения ЭПР (измеряемый сигнал), a Q(t) (квадратурный сигнал) - о расстройке измерительного резонатора и сигнального генератора СВЧ, который может быть использован для автоматической подстройки частоты (АПЧ).Here, I (t) (in-phase signal) carries information about the EPR absorption signal (measured signal), and Q (t) (quadrature signal) - about the detuning of the measuring resonator and the microwave signal generator, which can be used to automatically adjust the frequency (AFC) .

В устройстве-прототипе для разделения компонент применялось квадратурное детектирование с помощью двух, соединенных входами аналоговых демодуляторов, фазы опорных сигналов которых различаются на π/2, а начальная фаза выбрана соответствующим образом. Для устранения нежелательных смещений и дрейфов в канале постоянного тока усиление ведется на переменном токе, для чего квадратурный сигнал подвергается импульсной модуляции до усиления и синхронной демодуляции после. Импульсная модуляция в устройстве-прототипе осуществляется с помощью фазовой модуляции гетеродинного сигнала демодулятора квадратурного канала на частоте Ω прямоугольным сигналом со скважностью 2 (меандром), изменяющим фазу на π.In the prototype device, quadrature detection was used to separate the components using two analog demodulators connected to the inputs, the phases of the reference signals differ by π / 2, and the initial phase was selected accordingly. To eliminate unwanted biases and drifts in the DC channel, the amplification is carried out on alternating current, for which a quadrature signal is subjected to pulse modulation before amplification and synchronous demodulation after. Pulse modulation in the prototype device is carried out using phase modulation of the heterodyne signal of the quadrature channel demodulator at a frequency Ω with a rectangular signal with a duty cycle of 2 (meander), which changes the phase to π.

Тогда, если гетеродинный сигнал на промежуточной частоте до модуляции имеет вид sr(t)=sin(ωt), то после импульсной фазовой модуляции (0/π) меандром частоты Ω получимThen, if the heterodyne signal at the intermediate frequency before modulation has the form s r (t) = sin (ωt), then after pulsed phase modulation (0 / π) by the meander of the frequency Ω we obtain

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где k нумерует боковые полосы в спектре фазомодулированного колебания.where k numbers the sidebands in the phase-modulated spectrum.

Наиболее просто схема реализуется в случае, когда частота Ω получается делением ω на целую величину m (Ω=ω/m).The simplest scheme is realized when the frequency Ω is obtained by dividing ω by an integer value m (Ω = ω / m).

Приведенная формула показывает, что отличны от нуля боковые полосы с нечетными номерами k (частоты Ω (m±1), Ω (m±3), Ω (m±5), …, Ω (m±k)), а величина спектральных компонент слабо (линейно) спадает с ростом номера k. Любой аналоговый демодулятор, вследствие неидеальности, характеризуется уровнем проникновения сигнала гетеродина на выход. В тех случаях, когда гетеродинный и выходной сигналы имеют существенно различные частоты, такое проникновение не приводит к серьезным проблемам, поскольку выходной сигнал может быть подвергнут частотной фильтрации. В рассматриваемом случае в спектре гетеродинного сигнала присутствует значительная компонента непосредственно на частоте модуляции (k=m-1), которая, проникая на выход, существенно ограничивает чувствительность канала и сужает его динамический диапазон. Возможное решение проблемы путем компенсации проникающего сигнала на выходе демодулятора требует инжекции в выходную цепь сигнала на частоте модуляции с точно подобранными амплитудой и фазой, что сложно как схемотехнически, так и в процессе настройки. Кроме того, достижимый уровень компенсации ограничен нестабильностями, естественными для аналоговых цепей.The above formula shows that the sidebands with odd numbers k (frequencies Ω (m ± 1), Ω (m ± 3), Ω (m ± 5), ..., Ω (m ± k)) are nonzero, and the spectral the component weakly (linearly) decreases with increasing number k. Due to non-ideality, any analog demodulator is characterized by the level of penetration of the local oscillator signal to the output. In cases where the heterodyne and output signals have significantly different frequencies, such penetration does not lead to serious problems, since the output signal can be subjected to frequency filtering. In the case under consideration, the heterodyne signal spectrum contains a significant component directly at the modulation frequency (k = m-1), which, penetrating the output, significantly limits the channel sensitivity and narrows its dynamic range. A possible solution to the problem by compensating for the penetrating signal at the output of the demodulator requires injection of a signal at the modulation frequency with precisely selected amplitude and phase into the output circuit, which is difficult both in circuit design and in the tuning process. In addition, the achievable level of compensation is limited by the instabilities found in analog circuits.

В предлагаемом техническом решении указанная проблема решается следующим образом.In the proposed technical solution, this problem is solved as follows.

Преобразуем аналоговый сигнал ПЧ s(t) на выходе УПЧ сигнального канала 10 в цифровой, производя при помощи АЦП выборки с временным интервалом

Figure 00000002
, где ω - промежуточная частота, т.е. на частоте ωs=4ω.We convert the analog IF signal s (t) at the output of the IF signal channel 10 to digital, using the ADC to sample with a time interval
Figure 00000002
, where ω is the intermediate frequency, i.e. at a frequency ω s = 4ω.

Значения выборок аналогового выходного сигнала УПЧ будут иметь видThe values of the samples of the analog output signal of the amplifier will look like

Figure 00000003
Figure 00000003

Здесь n - порядковый номер выборки, а индекс a указывает, что помеченный сигнал - аналоговый.Here n is the serial number of the sample, and the index a indicates that the marked signal is analog.

Из формулы видно, что выборки с четными номерами будут содержать информацию только о синфазной компоненте, а с нечетными - только о квадратурной.It can be seen from the formula that samples with even numbers will contain information only about the in-phase component, and with odd numbers, only about the quadrature component.

Figure 00000004
n - четный,
Figure 00000004
n is even

Figure 00000005
n - нечетный.
Figure 00000005
n is odd.

Таким образом, разделив выходной поток данных АЦП на два, для четных и нечетных порядковых номеров выборок, и поочередно меняя знак выборок в соответствии с приведенными формулами, получаем оцифрованный сигнал поглощения ЭПР (синфазный сигнал), который для сужения полосы пропускания и соответствующего увеличения чувствительности можно подвергнуть децимации, и оцифрованный квадратурный сигнал, необходимый для работы системы автоподстройки частоты (АПЧ). Импульсная модуляция, эквивалентная фазовой манипуляции в устройстве-прототипе, реализуется изменением знака выборок квадратурного сигнала каждые l выборок, тогда частота модуляции окажется равной

Figure 00000006
, где ωs - частота потока данных квадратурного сигнала. В результате применения описанной схемы устраняются паразитные сигналы на частоте модуляции сигнала и необходимость применения каких-либо методов их компенсации.Thus, dividing the ADC output data stream by two, for even and odd serial numbers of samples, and alternately changing the sign of the samples in accordance with the above formulas, we obtain a digitized EPR absorption signal (in-phase signal), which can be used to narrow the passband and increase the sensitivity subjected to decimation, and the digitized quadrature signal necessary for the operation of the automatic frequency control system (AFC). Pulse modulation, equivalent to phase manipulation in the prototype device, is realized by changing the sign of the quadrature signal samples every l samples, then the modulation frequency will be equal
Figure 00000006
where ω s is the frequency of the data stream of the quadrature signal. As a result of the application of the described circuit, spurious signals at the signal modulation frequency and the need to use any methods of their compensation are eliminated.

Функции разделения потока данных АЦП на два, управление знаками выборок и цифровая модуляция реализуются в цифровом автомате-устройстве селекции выборок (УСВ).The functions of dividing the ADC data stream into two, control of the signs of the samples, and digital modulation are implemented in a digital automatic selection device for selection of samples (SPM).

Модулированный цифровой поток данных квадратурного сигнала при необходимости децимируется и подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), частота преобразования которого выбирается существенно большей частоты модулирующего сигнала. Далее аналоговый выходной сигнал ЦАПа поступает на вход полосового усилителя переменного тока, усиливающего сигнал ошибки по частоте и, одновременно, устраняющего нежелательные спектральные компоненты выходного сигнала ЦАПа. Усиленный сигнал подается на вход импульсного демодулятора, на управляющий вход с УСВ которого поступает меандр на частоте Ω, приводя к формированию на выходе демодулятора необходимого сигнала ошибки.If necessary, the modulated digital data stream of the quadrature signal is decimated and fed to a digital-to-analog converter (DAC), the conversion frequency of which is selected at a significantly higher frequency of the modulating signal. Next, the analog output signal of the DAC goes to the input of an AC strip amplifier, amplifying the error signal in frequency and, at the same time, eliminating the unwanted spectral components of the output signal of the DAC. The amplified signal is fed to the input of a pulsed demodulator, to the control input from the SPM of which a meander at a frequency of Ω is supplied, leading to the formation of the necessary error signal at the output of the demodulator.

Таким образом, предлагаемое техническое решение значительно упрощает аппаратную часть устройства за счет замены аналоговых устройств цифровыми алгоритмами, исключает необходимость настройки после изготовления, увеличивает надежность и снижает цену при одновременном уменьшении остаточной ошибки системы автоподстройки частоты, приводя к увеличению чувствительности спектрометра.Thus, the proposed technical solution greatly simplifies the hardware of the device by replacing analog devices with digital algorithms, eliminates the need for tuning after manufacturing, increases reliability and reduces the price while reducing the residual error of the automatic frequency control system, leading to an increase in the sensitivity of the spectrometer.

Claims (1)

Когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, включающий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, смесители опорного и сигнального каналов, циркулятор с измерительным резонатором и элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, измерительный аттенюатор, усилители промежуточной частоты (УПЧ) опорного и сигнального каналов, два фазочастотных дискриминатора с фильтрами на выходах, два делителя частоты, опорный генератор, устройство синтеза частот, усилитель переменного тока, импульсный демодулятор с фильтром на выходе, и переключатель режимов работ, при этом основной выход сигнального генератора соединен со входом измерительного аттенюатора, а его выход соединен с первым плечом циркулятора, и сигнальным входом смесителя опорного канала, выход гетеродинного генератора соединен с гетеродинным входом смесителя опорного канала и с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, второе плечо циркулятора соединено с измерительным резонатором, снабженным элементом перестройки его резонансной частоты, третье плечо циркулятора соединено со входом смесителя сигнального канала, а его выход - со входом УПЧ сигнального канала, опорный вход первого фазочастотного дискриминатора соединен с выходом устройства синтеза частот, причем величина частоты на нем равна требуемой промежуточной частоте, деленной на коэффициент деления первого делителя частоты, а фаза регулируется, выход смесителя опорного канала соединен со входом усилителя промежуточной частоты, выполненного в виде нормирующего усилителя формирователя напряжения, а его выход соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом первого фазочастотного дискриминатора, вспомогательный выход сигнального генератора соединен с делителем частоты, выход которого соединен с одним из входов второго фазочастотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом устройства синтеза частот, выход первого фазочастотного дискриминатора соединен с управляющим электродом гетеродинного генератора, выход второго фазочастотного дискриминатора соединен с двумя контактами первой группы трехпозиционного переключателя, общий контакт которой соединен с управляющим электродом сигнального генератора, общий контакт второй группы соединен с элементом перестройки резонансной частоты измерительного резонатора, выход опорного генератора соединен со входом устройства синтеза частот, выход усилителя переменного тока соединен со входом импульсного демодулятора, а выход через фильтр соединен с контактами в обеих группах трехпозиционного переключателя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство селекции выборок (УСВ), дециматор синфазного канала, дециматор квадратурного канала и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), при этом вход АЦП соединен с выходом УПЧ сигнального канала, выход АЦП соединен со входом УСВ, один выход УСВ соединен со входом дециматора синфазного канала, второй - со входом дециматора квадратурного канала, его выход соединен со входом ЦАПа, а выход ЦАПа - со входом усилителя переменного тока, тактовый вход АЦП соединен с тактовым входом УСВ и с выходом устройства синтеза частот, частота которого равна учетверенному значению требуемой промежуточной частоты, а управляющий вход импульсного демодулятора соединен с выходом тактовой частоты УСВ.Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer, including microwave and heterodyne oscillators, reference and signal channel mixers, a circulator with a measuring resonator and an element for tuning the resonant frequency of the measuring resonator, a measuring attenuator, intermediate frequency amplifiers (IF) of the reference and signal channels, two phase-frequency drives filters at the outputs, two frequency dividers, a reference generator, a frequency synthesis device, an alternating current amplifier, a pulse demodulator with a filter at the output, and a mode switch, while the main output of the signal generator is connected to the input of the measuring attenuator, and its output is connected to the first arm of the circulator, and the signal input of the mixer of the reference channel, the output of the local oscillator is connected to the heterodyne input of the mixer of the reference channel and with a heterodyne input of the signal channel mixer, the second arm of the circulator is connected to a measuring resonator equipped with an element for tuning its resonant frequency, one third e arm of the circulator is connected to the input of the signal channel mixer, and its output is connected to the input of the signal amplifier channel, the reference input of the first phase-frequency discriminator is connected to the output of the frequency synthesis device, and the frequency value on it is equal to the required intermediate frequency divided by the division factor of the first frequency divider, and the phase is regulated, the output of the mixer of the reference channel is connected to the input of the intermediate frequency amplifier, made in the form of a normalizing amplifier of the voltage driver, and its output is connected to about the input of the first frequency divider, the output of which is connected to the second input of the first phase-frequency discriminator, the auxiliary output of the signal generator is connected to the frequency divider, the output of which is connected to one of the inputs of the second phase-frequency discriminator, the second input of which is connected to the output of the frequency synthesis device, the output of the first phase-frequency discriminator connected to the control electrode of the local oscillator, the output of the second phase-frequency discriminator is connected to two contacts of the first group of three a position switch, the common contact of which is connected to the control electrode of the signal generator, the common contact of the second group is connected to the resonant frequency tuning element of the measuring resonator, the output of the reference generator is connected to the input of the frequency synthesis device, the output of the AC amplifier is connected to the input of the pulse demodulator, and the output is through the filter connected to the contacts in both groups of the three-position switch, characterized in that it further comprises an analog-to-digital converter l (ADC), a sampling device (SUS), a common-mode decimator, a quadrature channel decimator and a digital-to-analog converter (DAC), while the ADC input is connected to the output of the signal converter channel, the ADC output is connected to the USV input, one USS output is connected with the input of the common-mode channel decimator, the second with the input of the quadrature channel decimator, its output is connected to the input of the DAC, and the output of the DAC is connected to the input of the AC amplifier, the clock input of the ADC is connected to the clock input of the SPM and to the output of the frequency synthesis device, the frequency of which equal to four times the value of the desired intermediate frequency, and a pulse control input connected to the output of the demodulator clock SPM.
RU2015150145A 2015-11-23 2015-11-23 Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer RU2614181C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150145A RU2614181C1 (en) 2015-11-23 2015-11-23 Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150145A RU2614181C1 (en) 2015-11-23 2015-11-23 Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2614181C1 true RU2614181C1 (en) 2017-03-23

Family

ID=58453364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150145A RU2614181C1 (en) 2015-11-23 2015-11-23 Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2614181C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219862A1 (en) * М. А. Рубан Институт полупроводников УССР DEVICE FOR THE RESEARCH OF DOUBLE ELECTRON-NUCLEAR RESONANCE
US3532965A (en) * 1967-03-15 1970-10-06 Mikhail Alexandrovich Ruban Apparatus for recording and observation of the spectra of the electron nuclear double resonance (endor)
SU744310A1 (en) * 1978-02-13 1980-06-30 Белорусский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина Electronic paramagnetic resonance superheterodyne spectrometer
SU1739751A1 (en) * 1990-03-30 1995-10-10 Научно-исследовательский институт физики и прикладной математики при Уральском государственном университете им.А.М.Горького Coherent superheterodyne spectrometer of electronic paramagnetic resonance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219862A1 (en) * М. А. Рубан Институт полупроводников УССР DEVICE FOR THE RESEARCH OF DOUBLE ELECTRON-NUCLEAR RESONANCE
US3532965A (en) * 1967-03-15 1970-10-06 Mikhail Alexandrovich Ruban Apparatus for recording and observation of the spectra of the electron nuclear double resonance (endor)
SU744310A1 (en) * 1978-02-13 1980-06-30 Белорусский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина Electronic paramagnetic resonance superheterodyne spectrometer
SU1739751A1 (en) * 1990-03-30 1995-10-10 Научно-исследовательский институт физики и прикладной математики при Уральском государственном университете им.А.М.Горького Coherent superheterodyne spectrometer of electronic paramagnetic resonance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sherman et al. Oscillator metrology with software defined radio
US9306590B2 (en) Test and measurement instrument including asynchronous time-interleaved digitizer using harmonic mixing
Tseitlin et al. Digital EPR with an arbitrary waveform generator and direct detection at the carrier frequency
US8805313B2 (en) Magnitude and phase response calibration of receivers
EP2916136B1 (en) Test and measurement instrument including asynchronous time-interleaved digitizer using harmonic mixing
Cárdenas-Olaya et al. Noise characterization of analog to digital converters for amplitude and phase noise measurements
Feldhaus et al. A 1 MHz to 50 GHz direct down-conversion phase noise analyzer with cross-correlation
JPS6155058B2 (en)
CN107340427B (en) Measuring the amplitude phase response of a measurement instrument using binary phase shift keying test signals
RU2614181C1 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
US20120294343A1 (en) RF I/Q Modulator with Sampling Calibration System
US8552808B2 (en) Apparatus and method for oscillator resonator power control
US4860227A (en) Circuit for measuring characteristics of a device under test
Buckmaster et al. A 9-GHz, single-klystron, EPR spectrometer using superheterodyne demodulation
RU2579766C1 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
Kasal et al. Signal processing in transceivers for nuclear magnetic resonance and imaging
RU136578U1 (en) Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance
RU152736U1 (en) Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance
US10771076B1 (en) Measuring device, calibration method and measuring method with jitter compensation
Schlecker et al. VCO-based ESR-on-a-chip as a tool for low-cost, high-sensitivity point-of-care diagnostics
Deakin et al. Dual frequency comb photonic analog to digital conversion
Rokeakh et al. Continuous wave desktop coherent superheterodyne X-band EPR spectrometer
Zimmerer Precision Zeeman modulation microwave spectrometer
Froncisz et al. Pulse saturation recovery, pulse ELDOR, and free induction decay electron paramagnetic resonance detection using time-locked subsampling
RU2569485C2 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171124