介绍
德国斯图加特大学是德国领先的技术大学之一。斯图加特智能传感器研究所的研究生 Petros Mavridis 最近使用 Liquid Instruments 的 Moku:Pro 设备开发了一种基于压控振荡器 (VCO) 的核磁共振 (NMR) 原型。 Moku:Pro 是 Liquid Instruments 最先进的软件定义仪器平台，专为高级研究和设计而定制。基于 FPGA 的架构使 Moku:Pro 能够提供超过 15 种嵌入式仪器，用于研究、设计和测试。 多仪器模式 (MiM) Moku:Pro 支持用户同时连接最多四个乐器，并实现无损互连。 Moku 云编译（MCC），一种基于云的服务，用于创建和部署自定义数字信号处理算法。 MCC 用户可以使用 VHDL 代码或其他工具（例如 MATLAB、Simulink® 和 HDLCoder）设计算法，然后将其部署到 Moku 中实时执行。这使得用户能够利用 Moku:Pro FPGA 的强大功能来创建定制设计和仪器。
挑战
核磁共振（NMR）是一种非破坏性材料成像方法，对于在化学应用中精确测量分子结构至关重要。医学成像技术，特别是磁共振成像（MRI），已经应用NMR多年。NMR在医学领域对于检测癌症等异常情况至关重要。然而，基于NMR的测量设备，例如NMR光谱仪，价格昂贵且占地面积大，使得除资金雄厚的研究实验室和医院外，其他机构难以使用。使用传统方法，研究和评估基于压控振荡器（VCO）的NMR技术需要耗费大量时间和资源，才能在自制硬件上开发整个系统。通过部署Moku:Pro仪器来实现该系统的部分功能，Petros可以将精力集中在VCO元件及其相关的优化上。展望未来，研究人员的目标是提高测量速度、缩小仪器尺寸并降低材料成本。由于传统的收发器NMR工具目前无法在没有死区的情况下检测共振，斯图加特大学的研究人员开始研究其他NMR方法的有效性，例如基于VCO的NMR。
解决方案
Petros 首先设计并制造了图 1 右下角所示的 VCO 印刷电路板 (PCB)。他将此 VCO 与 Moku:Pro 一起用作锁相环 (PLL) 的一部分 锁相放大器 — 执行相位检测、低通滤波和直流偏移 — 而 波形发生器 提供了精确的频率参考。为了构建这个，他在 MiM 中部署了仪器（图 2）。
为了调谐锁相环 (PLL)，Petros 和他的团队首先在 Moku:Pro LIA 中进行了开环调谐，此时图 2 中的开关处于断开状态。调谐完成后，他们闭合开关并监测振荡误差信号，以确定实际的电压调谐范围。示波器探头指向 LIA 的框图，这使他们能够快速分析混频器（图 3）和 LIA（图 4）输出端的信号。“数字仪器对原型设计非常有帮助，”Petros 的导师 Michal Kern 博士说，“所以，你不用再用分立元件设计、仿真、制作 PCB 和订购产品，只需用数字方式完成，调整一些滑块就能实现。”
在利用连续参考频率调谐锁相环 (PLL) 后，Petros 评估了 PLL 承受突变频率的能力，以用于脉冲核磁共振 (NMR) 实验。为此，他使用了 Moku:Pro 波形发生器的交叉调制功能，其中第二个通道生成方波来驱动频率调制参考信号。这使得 Petros 能够快速测试 PLL 在脉冲工作模式下的极限。完成后，Petros 使用 Moku:Pro 通过幅度锁定环 (ALL) 优化了他的设计。为了实现 ALL，他开发了自定义 VHDL 代码，并使用基于云的 MCC 进行编译。该自定义代码计算了两个时间段内压控振荡器 (VCO) 的最大幅度。使用 Moku 云编译，他将程序部署到 Moku:Pro 的一个 MiM 插槽中，与 Moku:Pro 设备并排显示。 PID 控制器 （图5）。尽管干扰使系统远离所需的工作点，这些仪器仍然有助于将控制误差保持在接近于零的水平。由于 Moku:Pro 允许用户在 MiM 中同时使用四个仪器，因此该团队能够以数字方式并排运行 PLL 和 ALL（图 6）。
PID 控制器的电压输出被驱动到电压控制电流源中，以提供电流驱动，如图 7 所示。Petros 使用 Ziegler-Nichols 方法和 液体仪器的示例 调整 PID 控制器以实现连续波形 (CW) 和脉冲操作。
在完成锁相环（PLL）和全通道（ALL）电路的搭建后，Petros 开始进行核磁共振（NMR）实验。他将压控振荡器（VCO）PCB 板放置在电磁铁内部，如图 8 所示。为了进一步分析 VCO PCB 板，他轻松地换上了 Moku:Pro 数字滤波器盒，使调谐电压能够通过系统。“使用起来非常有趣，”Petros 说，“实时调整非常方便。” 然后，他将该信号输入到外部线性阻抗放大器（LIA）进行解调，如图 8 所示。
成果
斯图加特大学的研究人员利用 Moku:Pro 对 VCO PCB 进行了广泛而反复的测试，证明了基于 VCO 的核磁共振 (NMR) 技术是可行的，这为医学成像领域的诸多改进打开了大门。此次成功的测试得益于 Petros 的设计和 Moku:Pro 的多仪器功能，展示了一种全新的 VCO NMR 方法。“Moku:Pro 是一个功能强大的平台，它不仅预置了多种仪器，还允许用户通过编程方式进行扩展，”Petros 表示。Petros 未来可能会使用 Python API 实现更复杂的 MCC 应用，以加快 NMR 实验的自动化和速度。如需了解更多关于 Petros 及其团队的研究成果，请参阅他们发表在《应用磁共振》(Applied Magnetic Resonance) 上的论文。 开始.
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脚注
[1] P. Mavridis，“基于 VCO 的 NMR 的实现”，论文，2022 年