一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，包括同步信号发生器与同步谱分析器，其中同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC；同步谱分析器包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器。第一、第二电源降压模块分别提供5V和3.3V电压；低压差电压调节器提供1.8V和3.3V电压；全差分放大器将输入信号进行放大；模数转换器ADC进行数字采样；四路差分接收器用于电平转换和提供较强的电流驱动；FPGA核心板对采集的信号进行分析以及产生四路TTL信号。本发明专利技术采用基于FPGA的方式产生同步脉冲信号和同步谱分析，免于使用脉冲板卡，简化了量子光探测磁共振信号采集器的复杂性和设备体积，节省了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器
本专利技术涉及量子光探测和信号采集领域，特别是涉及一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器。
技术介绍
NV色心是金刚石中由替换碳原子的氮原子(Nitrogen)与其相邻空位(Vacancy)构成的一种具有荧光特性的缺陷，能够感知芯片表面的磁场强弱，提供高达纳米级的分辨率，具有体积小、退相干时间长等特点。它具有两个特征明确的充电状态：中性(NV0)或带负电(NV-)。NV色心在正常环境下具有相对较长的自旋寿命，可以使用绿色激光将其偏振以及进行光学读取，并且可以通过由脉冲控制的微波场对自旋子能级进行操纵。NV色心的结构具有C3v对称性，其两个不成对电子态在基态(3A2)和激发态(3E)是自旋三重态(S＝1)，其自旋能级有ms＝0，±1。在自旋守恒的激光激励下，激发态ms＝0自发地回到基态ms＝0，然而ms＝±1的状态有两条可能的衰变路径，其中一条是通过辐射跃迁到ms＝±1状态，或非辐射的通过系统间交叉效应到ms＝0状态。在后一种情况下有30％的概率，ms＝±1的激发态首先衰减为亚稳态的单重态，然后衰减为基态ms＝0。由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在ms＝0和ms＝±1态之间具有2.87GHz的零场分裂。当施加外部磁场时，通过塞曼效应提升ms＝±1自旋态的简并性，表现在ODMR谱上为共振峰值距离被拉大。通过调整外部磁场和四个晶体NV轴的相对取向，可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术观察到基态中的总共八个微波偶极跃迁。ms＝0态和ms＝+1态或ms＝-1态之间的跃迁是磁偶极子跃迁，构成了一个量子二能级体系，共振微波磁场在布洛赫球面上驱动闭环Rabi循环。以往的基于金刚石NV色心的微波场成像系统，多采用脉冲板卡，由电脑控制产生同步TTL脉冲序列；而对金刚石NV色心返回的红光，一般都是通过雪崩光电二极管(APD)采集，然后通过频谱分析仪或者锁相方式读出相应的频率值，最后通过将得到的值带入LABVIEW或者MATLAB等程序中进行后序的运算得出相应的光探测磁共振(ODMR)值，导致整个系统显得复杂与繁琐。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种系统复杂度低、便携性高的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器。技术方案：本专利技术所述的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，包括同步信号发生器与同步谱分析器；所述同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC、FPGA核心板；所述同步谱分析器模块包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器；其中，所述第一电源降压模块分别与全差分放大器、低压差电压调节器、FPGA核心板、四路差分接收器相连接，用于提供5V电压；所述第二电源降压模块用于向以太网口提供3.3V电压，所述以太网口通过网口转换与FPGA核心板进行数据通信；所述低压差电压调节器与模数转换器ADC连接，用于提供1.8V和3.3V电压；所述全差分放大器与模数转换器ADC连接，用于将输入信号进行放大；所述模数转换器ADC与FPGA核心板连接，用于进行数字采样；所述FPGA核心板分别与模数转换器ADC和四路差分接收器连接，对应用于对采集的信号进行同步谱分析以及产生四路TTL信号；所述四路差分接收器与FPGA核心板连接，用于电平转换和提供电流驱动。进一步地，所述全差分放大器用于将输入信号经过单端转差分后，放大10-20dB且成为差分信号。进一步地，所述模数转换器ADC采用双通道输入，采样频率最高为160MSPS，输出为DDRLVDS输出。进一步地，所述模数转换器ADC采用了16DV160。进一步地，所述FPGA核心板内置50MHz时钟晶振，通过内部倍频电路将时钟倍频至500MHz；利用500MHz时钟信号形成周期2ns，任意可调占空比的方波信号，再通过LVDS接口直接连接外部驱动器做输出；通过IDC100高速插接件与母板对接；FPGA的SPI输出端口可对模数转换器ADC进行校准。进一步地，所述的FPGA核心板内置DDRSRAM和FLASH，用于实现FFT以及一帧数据缓存，FLASH用于烧写FPGA启动程序。进一步地，所述的FPGA核心板采用AC6045一体化核心板。进一步地，所述四路差分接收器支持最快650ps上升时间，400ps的下降时间。进一步地，所述四路差分接收器采用SN65LVDS348。进一步地，所述FPGA和全差分放大器之间通过校准模块连接，所述校准模块用于调整全差分放大器的放大倍数。有益效果：(1)本专利技术采用基于FPGA的方式产生同步脉冲信号，解决了使用脉冲板卡导致设备体积大的问题，节省了成本；(2)本专利技术采用基于FPGA的同步谱分析器，能实时刷新输出量子信号和光子技术信号，同时简化了系统的复杂性。附图说明图1为本专利技术一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器的结构示意框图；图2为本专利技术的同步信号发生器产生的TTL控制信号示意图；图3为本专利技术中FPGA软件部分设计方案示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，如图1所示，一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，包括同步信号发生器和同步谱分析器。其中，同步信号发生器包括：第一电源降压模块1、第一低压差电压调节器2、第二低压差电压调节器3、全差分放大器4、模数转换器ADC5。同步谱分析器包括：第二电源降压模块6、四路差分接收器8。同步信号发生器与同步谱分析器共用一个FPGA核心板7。所述第一电源降压模块1采用MP1584，用于将12V电源降为5V后，分别第一低压差电压调节器2、第二低压差电压调节器3、为全差分放大器4、FPGA核心板7和四路差分接收器8提供电压。第一低压差电压调节器2、第二低压差电压调节器3均采用LM1117，分别向模数转换器ADC5提供1.8V和3.3V的电压。所述模数转换器ADC5采用16DV160，与FPGA核心板7连接，用于进行数字采样。所述第二电源降压模块6采用MP1584，用于向以太网口提供3.3V电压，所述以太网口通过网口转换与FPGA核心板7进行数据通信。所述FPGA核心板7采用AC6045，分别与模数转换器ADC5和四路差分接收器8连接，用于对采集的信号进行分析，同时产生四路TTL信号。所述四路差分接收器8采用SN65LVDS348，用于电平转换和提供较强的电流驱动。所述FPGA核心板7通过校准模块调整全差分放大器4的放大倍数。所述校准模块包括一个电源降压模块，用于将12V电压转为3.3V作为基准电压，向数据转换器供电；所述数模转换器与低通滤波器连接，所述低通滤波器接到全差分放大器4上。校准模块中的电源降压模块采用MP1584，数模转换器采用AD9777，低通滤波器采用JTWR50LF2012EA500R。具体地，该量子光探测磁共振信号采集器，在光探测磁共振信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，其特征在于，包括同步信号发生器与同步谱分析器；所述同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC、FPGA核心板；所述同步谱分析器模块包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器；其中，/n所述第一电源降压模块分别与全差分放大器、低压差电压调节器、FPGA核心板、四路差分接收器相连接，用于提供5V电压；/n所述第二电源降压模块用于向以太网口提供3.3V电压，所述以太网口通过网口转换与FPGA核心板进行数据通信；/n所述低压差电压调节器与模数转换器ADC连接，用于提供1.8V和3.3V电压；/n所述全差分放大器与模数转换器ADC连接，用于将输入信号进行放大；/n所述模数转换器ADC与FPGA核心板连接，用于进行数字采样；/n所述FPGA核心板分别与模数转换器ADC和四路差分接收器连接，对应用于对采集的信号进行同步谱分析以及产生四路TTL信号；/n所述四路差分接收器与FPGA核心板连接，用于电平转换和提供电流驱动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，其特征在于，包括同步信号发生器与同步谱分析器；所述同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC、FPGA核心板；所述同步谱分析器模块包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器；其中，
所述第一电源降压模块分别与全差分放大器、低压差电压调节器、FPGA核心板、四路差分接收器相连接，用于提供5V电压；
所述第二电源降压模块用于向以太网口提供3.3V电压，所述以太网口通过网口转换与FPGA核心板进行数据通信；
所述低压差电压调节器与模数转换器ADC连接，用于提供1.8V和3.3V电压；
所述全差分放大器与模数转换器ADC连接，用于将输入信号进行放大；
所述模数转换器ADC与FPGA核心板连接，用于进行数字采样；
所述FPGA核心板分别与模数转换器ADC和四路差分接收器连接，对应用于对采集的信号进行同步谱分析以及产生四路TTL信号；
所述四路差分接收器与FPGA核心板连接，用于电平转换和提供电流驱动。


2.根据权利要求1所述的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，其特征在于，所述全差分放大器用于将输入信号经过单端转差分后，放大10-20dB且成为差分信号。


3.根据权利要求1所述的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，其特征在于，所述模数转换器ADC采用双通道输入，采样频率最高为160MSPS，输出为DDRLVDS输出。


4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨博，杜关祥，和文豪，刘心宇，
申请(专利权)人：奥为电子科技南京有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32