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) 使用户能够同时组合多达四台仪器并进行无损互连。
Moku:Pro支持 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
NMR 是一种无损材料成像方法，对于通过精确测量检查化学应用中的分子结构至关重要。医学成像技术多年来一直采用 NMR，即磁共振成像 (MRI)。核磁共振对于医学检测癌症等异常现象至关重要。然而，基于 NMR 的测量设备（例如 NMR 波谱仪）价格昂贵，并且实验室占地面积较大，因此除了资金雄厚的研究实验室和医院之外，无法在其他设施中使用。
使用传统方法，研究和评估基于 VCO 的 NMR 技术需要大量时间和资源来在手工构建的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内容，Petros 可以专注于 VCO 元素和相关优化。
展望未来，研究人员的目标是更快地进行测量、使工具小型化并降低材料成本。由于传统的收发器 NMR 工具目前无法在没有死区时间的情况下检测共振，斯图加特大学的研究人员开始研究替代 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）。
图 1：Moku:Pro 基于 PLL 和 VCO PCB 框图。 [1]
图 2：多仪器模式数字 PLL 设置（顶部）和锁相放大器框图视图（底部）。[1]
为了调整 PLL，Petros 和他的团队首先在 Moku:Pro LIA 中执行开环调整，其中图 2 中的开关打开。调谐完成后，他们关闭开关并监视振荡误差信号，以确定实际的电压调谐范围。示波器探头指向 LIA 框图内，这使他们能够快速分析混频器（图 3）和 LIA（图 4）输出处的信号。
“数字仪器对于原型制作非常有帮助，”Petros 的主管 Michal Kern 博士说。 “因此，无需用分立元件进行设计、模拟、制作 PCB 并订购，您只需以数字方式进行，并使用一些滑块即可工作。”
图 3：混频器输出处的示波器视图，描绘了各个信号频率的差异。 [1]
图 4：用于验证调谐范围的 LIA 输出波形 [1]
使用连续参考频率调整 PLL 后，Petros 评估了 PLL 承受频率突变的能力，以解释脉冲 NMR。为此，他使用了 Moku:Pro 波形发生器交叉调制，其中第二个通道创建方波来驱动调频参考。这使得 Petros 能够很快测试 PLL 在脉冲操作中的极限。完成后，Petros 使用 Moku:Pro 通过锁幅环 (ALL) 优化他的设计。
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。此自定义代码得出两个时间段内 VCO 的最大幅度。使用 Moku Cloud Compile，他将该程序部署到 Moku:Pro MiM 插槽之一以及 Moku:Pro 上 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）。
图 5：初始 PID 控制器设置。 [1]
图 6：MiM 配置，其中 PLL 位于插槽 1 和 2，ALL 位于插槽 3 和 4。 [1]
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。
图 7：ALL 的硬件实现。 [1]
随着 PLL 和 ALL 的实施，Petros 开始进行 NMR 实验。他将 VCO PCB 放置在电磁体内，如图 8 所示。为了进一步分析 VCO PCB，他轻松地更换了 Moku:Pro 数字滤波器盒，以使调谐电压通过系统。
“与它一起工作非常有趣，”佩特罗斯说。 “实时调整很容易。”
然后，他将该信号馈送到外部 LIA 进行解调，如图 8 所示。
图 8：NMR 实验设置。 [1]
成果
在使用 Moku:Pro 对 VCO PCB 进行广泛、重复的测试后，斯图加特大学的研究人员证明基于 VCO 的 NMR 是可行的，为医学成像领域的无数改进打开了大门。 Petros 的设计和 Moku:Pro 的多仪器功能使测试成功，展示了 VCO 的新方法：NMR。
“Moku:Pro 是一个复杂的平台，它不仅配备了预定义的仪器，而且还允许用户以编程方式对其进行扩展，”Petros 说。
Petros 可以使用 Python API 实现更复杂的 MCC 应用程序，以实现未来的测试自动化和 NMR 实验的加速。要了解有关 Petros 及其团队研究结果的更多信息，您可以找到他们在 Applied Magnetic Resonance 上发表的论文， 开始.
联系方式
在我们的知识库中获取常见问题解答
如果您对设备特性或仪器功能有疑问，请查看我们的 知识库 来查询您正在寻找的答案。 您还可以快速查看热门问题并按产品或主题来优化搜索。
加入我们的用户论坛来与我们保持联系
想要新的功能吗？ 有技术支持提示要分享？ 从客户案例到新功能公告等等， 用户论坛 是您的一站式门户，作为产品更新以及与 Liquid Instruments 和我们的全球用户社区建立联系。
脚注
[1] P. Mavridis，“基于 VCO 的 NMR 的实现”，论文，2022 年