纳升级样品核磁共振检测数字接收机制造技术

一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，适用于对体积小于５００纳升的生物－化学液态样品进行核磁共振波谱分析。本发明专利技术数字接收机是基于一次模拟混频、一次中频采样与数字正交检波的信号检测方法，所述接收机由射频前置低噪声放大器、射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器及数据采集卡等依次串联构成。核磁共振接收线圈感应得到的信号被送入接收机后，首先经前置低噪声放大器等器件放大，然后将放大后的信号送入一个混频器，得到中频核磁共振信号，再对该中频信号进行进一步放大及低通滤波，最后，利用数据采集卡对该中频信号进行模数转换，为后续的基带数字正交检波准备数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种核磁共振检测数字接收机，特别涉及纳升级样品核磁共振检测数字接收机。
技术介绍
在被测样品成分未知条件下，核磁共振波谱检测技术可用于对化合物分子组成与结构进 行分析，在生物活体研究与材料研究等领域占有十分重要的地位。近年来，随着技术的发展 与进步，其应用的深度与广度也在不断拓展。但是，与质谱检测等其他化学分析技术相比， 核磁共振检测技术的灵敏度较低，而检测灵敏度随被测样品体积的减小而显著增加。常规核 磁共振波谱分析中一般是采用直径5毫米试管作为样品容器，不适合对纳升级样品进行核磁 共振谱分析。另外，目前商业核磁共振波谱分析仪器体积庞大、结构复杂、运行模式固定， 如果将其应用于微量样品检测，需在微接收线圈与波谱仪接收机之间加入保护电路环节。对纳升级样品进行核磁共振波谱分析时，接收线圈感应到的自由感应衰减信号的峰值电 压在几十微伏以下，就要求在微弱信号条件下接收机具有低噪声、大动态范围的特点。传统 商业磁共振波谱仪所采用的一般为基于模拟技术的接收机，成本较高、易受环境温度影响而 运行不稳定，而且，当接收机采用正交检波方法处理信号时，同相、正交两路信号间会存在 一定程度的不平衡，导致经傅立叶变换后的频谱失真。特别地，基于模拟信号处理技术的接 收机由于采用模拟下变频与检波技术(模拟器件具有固有的不稳定性)，信号处理通路上存 在直流偏置误差、易受环境温度影响，导致信号处理过程重复性差。在专利号为11690193的美国专利中，公开了一种基于射频采样技术的核磁共振数字接 收机，根据核磁共振信号频率的高低，接收机中的模数转换器采用欠采样或过采样技术将模 拟信号转换为数字信号，该接收机存在以下不足1、该直接射频数字化接收机需要较高性 能的电子元器件，特别是射频带通滤波器与模数转换器；2、由于是直接对射频信号进行数 字化，即采用较高的采样率，极大地加重了后续的数字正交检波环节中的数据处理负荷；3、 该直接数字化接收机很难做到与波谱仪射频脉冲发射部分保持相位关系一致，而靠提高采样 率的方法只能使收/发两路信号间的相位关系近似保持一致。以上因素决定了这种直接射频数字化接收机不能很好地满足纳升级样品核磁共振波谱检测技术的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种适用于纳升级样品核磁共振检测的数字接收机，这是一种适用 于微弱信号检测的低噪声、大动态范围的小型核磁共振谱仪数字接收机。该接收机适用于检 测体积小于500纳升的样品，对应的微弱自由感应衰减信号的电压幅值小于20微伏。本专利技术基于一次模拟混频、 一次中频采样、中频数字正交检波的信号检测方法。本专利技术接收机由前置放大器单元、射频/中频转换单元与数据采集卡组成。前置放大器单 元包括低噪声放大器，射频/中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大 器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对。前置放大器单元、射频增益控制器、 混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对、数据采集 卡依次串联。来自接收线圈的由被测样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放 大器，然后将放大后的所述信号送入射频/中频转换单元进行处理；在射频/中频转换单元中， 来自低噪声放大器的核磁共振信号首先被送入射频增益控制器，所述射频增益控制器对信号 的功率进一步放大，再将所述经射频增益控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变 频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频；所得到的中频信号再被送入中频可变增益放大器进 行进一步功率调节，以满足数据采集卡对待模数转换的信号的电压的要求；所述经中频功率 调节后的信号送入低通滤波器，以滤除信号中的高频带外干扰；低通滤波器的输出信号送入 缓冲器；缓冲后的信号经过隔直电容及一个限压二极管对，最后被送入数据采集卡进行模数 转换，并将得到的数字域数据送入控制计算机，进行数字正交检波。本专利技术中频采样数字接收机的特征在于:采用了单次模拟混频/单次中频采样的数字接收 机体系结构，采用了数字正交检波技术对中频信号进行解调、滤波、抽取等处理，极大地消 除了同相与正交信号间的不平衡，信号处理过程重复性好，提高了系统的信噪比，增强了抗 环境温度及外界电磁场干扰的能力；与传统的双模数转换正交检波模拟接收机相比，本专利技术 只采用少量的模拟器件，并在数字域对中频信号进行处理，而使得处理过程稳定可靠。本专利技术的有益效果是结合平面式微接收线圈等核磁共振自由感应衰减信号接收装置， 本专利技术适用于纳升级样品的核磁共振波谱分析，所述接收机结构简单成本低，适用于宽工作 频率范围，克服了现有核磁共振模拟接收机的缺点，减少接收机引入的系统噪声，减少由于 正交检波两路不平衡而造成的波谱谱线加宽；本专利技术与小型低场磁体系统以及射频脉冲发生 装置相结合，可构成小型纳升级样品核磁共振检测仪器。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术纳升级样品核磁共振检测数字接收机的电路连接原理图；图2是本专利技术纳升级样品核磁共振检测数字接收机的低噪声放大器电路原理图；图3是标准单片射频放大器芯片的通用设计电路原理图。具体实施方式如图1所示，本专利技术由前置放大器单元、射频/中频转换单元与数据采集卡组成，前置放 大器单元包括低噪声放大器，射频/中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增 益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对。首先，来自接收线圈的由被测 样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放大器，然后将放大后的信号送入射频 /中频转换单元进行处理。在射频/中频转换单元中，来自低噪声放大器的核磁共振信号首先 被送入一个射频增益控制器，该控制器可以对信号的功率进行进一步放大；再将经射频增益 控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频； 得到的中频信号再被送入一个中频可变增益放大器进行进一步功率调节，以满足数据采集卡 对待模数转换的信号的电压的要求；将经中频功率调节后的信号送入一个低通滤波器，以滤 除信号中的高频带外干扰；为了使放大后的模拟核磁共振信号能够驱动数据采集卡，将低通 滤波器的输出信号送入一个缓冲器；缓冲后的信号经过一个隔直电容及一个限压二极管对， 最后被送入数据采集卡进行模数转换。所述低噪声放大器靠近接收线圈。如图2所示，该放大器由一个PIN二极管开关与一个放大器芯片串联构成，来自接收线圈的核磁共振自由感应衰减信号首先被送入所述PIN 二极管开关，所述PIN二极管开关的输出端与所述放大器芯片的信号输入端相连。在射频脉冲发射阶段，PIN二极管开关用来保护放大器芯片，以免高功率射频脉冲耦合入放大器。当对开关施加一个TTL电平控制脉冲时，能够阻止射频发射脉冲耦合入放大器芯片，未施加TTL电平控制脉冲时，开关处于关闭状态，允许核磁共振信号进入放大器芯片。为了减少接收机的成本，本实施例中放大器芯片采用一片50欧姆Agilent INA-01芯片，工作频率范围0-500MHz，增益32dB，噪声系数1.7dB。本实施例中，INA-01芯片及74F244芯片与相应外围器件间的引脚连接关系如图2所示，具体的连接方式为TTL电平控制脉冲作用于74F244芯片的第2引脚，来自接收线圈的自由感应衰减信号在PIN二极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳升级样品核磁共振检测数字接收机，其特征在于：所述接收机由前置放大器单元、射频／中频转换单元与数据采集卡组成；前置放大器单元包括低噪声放大器，射频／中频转换单元包括射频增益控制器、混频器、中频可变增益放大器、低通滤波器、缓冲器、隔直电容及限压二极管对；来自接收线圈的由被测样品产生的核磁共振自由感应衰减信号输入至低噪声放大器，然后将放大后的所述信号送入射频／中频转换单元进行处理；在射频／中频转换单元中，来自低噪声放大器的核磁共振信号首先被送入射频增益控制器，所述射频增益控制器对信号的功率进一步放大，再将所述经射频增益控制器进行功率调节后的信号送入混频器进行下变频，使载波频率由拉莫尔频率降至中频；所得到的中频信号再被送入中频可变增益放大器进行进一步功率调节，以满足数据采集卡对待模数转换的信号的电压的要求；所述经中频功率调节后的信号送入低通滤波器，以滤除信号中的高频带外干扰；低通滤波器的输出信号送入缓冲器；缓冲后的信号经过隔直电容及一个限压二极管对，最后被送入数据采集卡进行模数转换，并将得到的数字域数据送入控制计算机，进行数字正交检波。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓南，王明，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]