核磁共振谱仪锁场系统收发单元的设计

论文摘要

随着核磁共振谱仪广泛应用于分子化学、分子生物等科学研究中,对其提出了许多新的要求。对于高频波谱仪来说,因要求更加精确地鉴相和锁定,就需要重新设计新的磁场稳定系统。本文根据这一需求,将射频系统数字化技术应用到核磁共振谱仪锁场收发单元中,并对其进行相关研究和设计。本文的研究工作主要设计新型的波谱仪锁场收发单元。在认真分析传统波谱仪锁场收发单元的原理与构成的基础上,采用直接数字频率合成技术和中频数字正交解调技术原理,设计并实现新的波谱仪锁场系统收发单元。锁通道发射机因为采用了直接数字频率合成技术,使射频源不仅具有快速频率、相位和幅度的切换能力,同时还能灵活精确的控制各种脉冲序列。将FPGA作为系统通信和DDS芯片之间的通信接口,利用其丰富的逻辑单元对DDS芯片进行控制,产生快速所需的调制射频信号。在接收机中采用了数字下变频技术,直接对中频信号采样,省去了原来接收机模拟滤波器的调整,系统调试简单而且运行稳定,得到的数据直接由FPGA进行数字信号处理,简化了设计的复杂度,增强了电路的可靠性。FPGA作为锁场系统收发单元的控制核心,也大大增强了系统的灵活性,缩短了电路设计与调试的时间。本文最后给出了所设计的锁场收发单元电路及FPGA控制软件的仿真与实验结果,结果表明射频系统数字化技术较传统锁场系统在速度与精度等方面具有明显的优势,它将广泛应用于现代核磁共振谱仪中,并必将成为未来核磁共振谱仪的发展的趋势之一。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题背景与研究目的

1.2 核磁共振谱仪国内外发展概况

1.3 本文主要工作

2 磁场稳定系统及射频系统数字化原理

2.1 NMR 谱仪结构概述

2.2 场-频联锁法的原理

2.3 直接数字频率合成技术

2.4 中频数字解调相关原理

2.5 锁场控制收发电路PCB 板的设计

2.6 本章小结

3 锁场收发电路的实现

3.1 锁场发射电路的设计

3.2 锁通道接收电路的设计

3.3 误差输出电路的设计

3.4 本章小结

4 FPGA 程序设计及实现

4.1 FPGA 设计方法

4.1.1 FPGA 的发展概况

4.1.3 FPGA 设计流程

4.2 DDS 控制模块设计

4.3 中频数字化芯片控制程序设计

4.4 本章小结

5 仿真及实验结果

5.1 FPGA 控制程序仿真

5.2 锁通道发射模块的测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

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