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 14 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]
结果
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， 此处.
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脚注
[1] P. Mavridis，“基于 VCO 的 NMR 的实现”，论文，2022 年
