Набор узлов автоматизации предназначен для работы в составе ЯМР-релаксометра для выполнения следующих функций:
Генерация импульсных и управляющих последовательностей для воздействия на образец.
Формирование радиочастотных импульсов для передатчика.
Прием, усиление, преобразование радиочастотных сигналов ЯМР.
Взаимодействие с компьютером, выполняющим функции управления экспериментом и обработки данных.
Набор состоит из 3 плат: платы генератора управляющих последовательностей, платы формирования и обработки радиочастотных сигналов и интерфейсной платы, встраиваемой в компьютер типа IBM PC. Первые 2 платы входят в состав блока управления и обработки, включающего также источник питания, в качестве которого используется стандартный блок питания компьютера IBM PC AT. Блок-схема релаксометра с выделенными узлами автоматизации представлена на рисунке:
Рис.1 Блок-схема релаксометра ЯМР.
Плата генератора последовательностей выполняет следующие функции:
Вырабатывает программируемые последовательности цифровых сигналов по основному каналу, включающему 12 разрядов слова управления, в том числе:
2 сигнала с аппаратным ограничением длительности: для управления включением сигнала передатчика и сигнала импульсного градиента. Использование аппаратного ограничения длительности защищает от перегрева и выхода из строя элементы усилителя мощности передатчика, формирователя градиентных токов, датчика и градиентных катушек.
2 сигнала управления фазой радиочастотных импульсов с возможностью сложения с дополнительным кодом, что позволяет изменять фазы всех импульсов последовательности без ее перезагрузки, например при накоплении с переменной фазой.
Сигнал управления окном стробирования АЦП.
Сигнал управления одиночным стробом АЦП.
2 канала управления аналоговыми сигналами через 12-разрядный ЦАП (дополнение).
2 внешних 12-разряднах канала управления.
Каждая команда управления сопровождается программируемым последующим интервалом времени в диапазоне от 0.1 мкс до 6 553.6 мкс. Таким образом, на каждом шаге последовательности можно изменить состояние одного из каналов и выждать после этого заданный интервал времени.
Есть функция шага последовательности, в которой не изменяются состояния каналов, зато можно задать интервал времени от 0.1 мкс до 26 843 545.6 мкс, что позволяет задавать длительные задержки в одном шаге последовательности.
Максимальное количество шагов последовательности – до 16384. Это позволяет программировать циклические последовательности с изменением в циклах любых параметров.
Плата имеет в составе генератор стробирования АЦП. Период стробирования программируется в последовательности и может меняться от 0.1 мкс до 3 276.8 мкс. Генератор запускается специальным разрядом управляющего слова основного канала.
Предусмотрена функция шага последовательности, в которой осуществляется безусловный переход на другой шаг с адресом, задаваемым словом интервала. Это позволяет выполнять бесконечное зацикливание последовательности для осуществления отладки по осциллографу.
Выходные разъемы платы включают:
Разъем основного канала, включающий 10 управляющих разрядов, из которых 6 имеют прямой и инверсный выходы.
Разъем внешних каналов, включающий 12 разрядов управляющего слова и 2 сигнала стробов каналов.
Разъем управления АЦП, включающий сигналы стробирования и другие сигналы управления.
Разъем аналоговых сигналов, включающий выходные сигналы каналов ЦАП и сигнал опорного напряжения (дополнение).
Разъем сигналов дополнительного управления и контроля, включающий 4 входных и 4 выходных сигнала, контролируемых и управляемых со стороны компьютера (дополнение).
2 интерфейсных разъема: разъем адреса для выбора порта, с которым осуществляется обмен и разъем данных для обмена данными с регистрами платы. Через эти разъемы можно записать или считать последовательность в/из буфера памяти платы, установить начальные состояния регистров и счетчиков, запустить или остановить исполнение последовательности, проконтролировать текущее состояние.
Узлы
платы могут работать как с внутренней
тактовой частотой 20 МГц, так и с внешним
сигналом частотой 20 или 10 МГц. В последнем
случае минимальный интервал времени
будет равен 0.2 мкс. Тактовый сигнал
частотой 10 МГц присутствует на всех
выходных разъемах платы, кроме
аналогового.
Плата формирования и обработки сигналов выполняет следующие функции:
Вырабатывает рабочую частоту сигнала ЯМР, программно выбираемую из 4 возможных: 40 МГц, 26.667 МГц, 20 МГц и 13.333 МГц.
Формирует радиочастотные импульсы для усилителя мощности передатчика ЯМР с управлением включением и фазой от генератора последовательностей. Фаза выбирается из 4 возможных: 0, 90, 180 и 270º. Импульсы имеют трансформаторную развязку от общего провода платы.
Вырабатывает синхронный с рабочей частотой тактовый сигнал 20 МГц для управления генератором последовательностей.
Транслирует на внешние разъемы сигналы основного канала генератора последовательностей, предназначенные для внешней синхронизации развертки осциллографа и блокировки предусилителя датчика ЯМР.
Принимает выходной радиочастотный сигнал от предусилителя датчика ЯМР с трансформаторной развязкой от общего провода платы.
Усиливает входной сигнал с цифровым управлением усилением от внешнего канала генератора последовательностей: 16 значений усиления от -10 до +35 db (от 1 до 177.8 раз).
Преобразует усиленный радиочастотный сигнал в 2 квадратурных сигнала ЯМР путем перемножения с сигналами рабочей частоты платы.
Полученные сигналы проходят через аналоговые фильтры с постоянной времени, управляемой от внешнего канала генератора последовательностей: 8 значений от 50 нс до 110 мкс.
Аналоговые сигналы обрабатываются двумя 12-разрядными аналого-цифровыми преобразователями с частотой выборок 10 МГц.
Полученные цифровые коды сохраняются в буфере памяти платы в соответствии с сигналами стробирования генератора последовательностей. Максимальное количество сохраняемых квадратурных точек – 32768.
Узлы платы управляются через 3 входных разъема от генератора последовательностей: разъем основного канала, разъем внешних каналов и разъем управления АЦП, и 2 интерфейсных разъема от интерфейсной платы компьютера. Интерфейсные разъемы такие же, что и разъемы платы генератора последовательностей.
Взаимодействие платы с компьютером позволяет управлять рабочей частотой сигналов, контролировать и управлять адресом буфера памяти, считывать содержимое памяти буфера.
Интерфейсная плата для связи с блоком управления и обработки выполняет следующие функции:
Вставляется в разъем компьютера интерфейса PCI с уровнем сигналов 5 В.
Обеспечивает свое опознавание компьютером, чтобы программа начального тестирования оборудования не отключила сигналы интерфейса.
Выдает 16-разрядный код на выходной разъем адреса. В оборудовании ЯМР релаксометра используются только 8 младших разрядов адреса.
Выдает код и считывает данные с двунаправленной 16-разрядной шины разъема данных.
Выдает на каждый разъем по 2 сигнала управления направлением передачи, которые управляют передачей данных отдельно по каждым 8 разрядам шины.
Выдает на каждый разъем сигнал строба обмена, по которому в оборудовании релаксометра синхронизируется обмен данными.
Узлы автоматизации в составе ЯМР-релаксометра обеспечивают регистрацию на компьютере спада свободной индукции образца при воздействии сложных импульсных последовательностей.
