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FPGA在核磁共振波谱仪和CPT频标中的应用研究

陈楠  
【摘要】: 随着核磁共振技术和原子频标在各自领域内的广泛应用,对其实验仪器的设计也提出了许多新的要求。对于核磁共振波谱仪来说,为了满足实验者各自不同的实验想法和要求,就需要自行开发设计出适合个人实验要求的核磁共振波谱仪。对于原子频标的电子学系统来说,不仅需要能够完成频率的精确鉴相和锁定的功能,而且还需要实现设计的小型化。因此本文针对这些要求,将FPGA应用到这两个领域中,进行了相关的研究。 本文的研究工作主要针对FPGA在核磁共振波谱仪中数字化射频发射机以及原子频标中的CPT铷原子频标的数字控制部分展开。本文首先认真分析了核磁共振数字化发射机以及之后可能扩展出的其他基于FPGA的设计模块与CPT铷原子频标的数字伺服设计中存在的共性问题,如FPGA与主要的外围设备的接口设计上提出了一套设计方案。在这个基础上再针对各自内部需完成的不同的功能,分别进行了具体的设计。 核磁共振数字化发射机要求射频源不仅具有快速频率、相位和幅度的切换能力,同时还要求能够灵活精确地控制各种单脉冲或脉冲序列间的间隔时间。我们将FPGA作为系统通信与控制模板与DDS芯片之间的通信接口,利用FPGA内部内嵌的块RAM资源作为存储设置DDS的波形数据、以及来自ARM7的各种逻辑控制命令的缓冲RAM,通过对DDS芯片的控制得到了所需射频信号,同时利用其丰富的逻辑门资源得到不同时间分辨率的触发信号用来触发定时器的记数,实现了对各种射频脉冲序列间隔时间的精确控制;CPT铷原子频标的数字伺服部分要求能够完成频率的精确鉴相和锁定的功能。我们利用FPGA对DDS、DAC、ADC进行正确的时序控制以及信号的内部计算和处理,实现了直流/微波扫描和锁定的功能。 本文对这两方面设计均做了各自的实验测试和时序仿真,验证了各自需实现的功能,给出了仿真波形和实验结果。本论文中在基于FPGA的基本设计框架下根据不同的应用情况可实现接口的灵活切换,一定程度上缩短了整个设计的周期。


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