DE4207045A1 - Digitales frequenzerzeugungsgeraet - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein digitales Frequenzerzeugungsgerät
mit einer Ausgangsstufe und einem ersten digitalen Frequenz
generator, der an seinem Ausgang ein erstes Signal mit einer
wählbaren ersten Frequenz f1 und mit einer ersten Phasenlage
ϕ1 erzeugt, welches auf die Ausgangsstufe des Frequenzerzeu
gungsgerätes derart geschaltet werden kann, daß am Ausgang
der Ausgangsstufe ein Signal mit der ersten Frequenz f1 und
der ersten Phasenlage ϕ1 ansteht, wobei die erste Frequenz f1
am Ausgang der Ausgangsstufe auf eine wählbare zweite Fre
quenz f2 mit bezüglich der ersten Frequenz f1 definiertem,
insbesondere kontinuierlichem Phasenanschluß umschaltbar
ist.
Ein solches Frequenzerzeugungsgerät ist beispielsweise be
kannt aus dem Handbuch /PTS Frequency Synthesizers. der Fir
ma Programmed Test Sources Inc. von 1988.
Digitale Frequenzerzeugungsgeräte (= Frequenzsynthesizer)
haben generell die Aufgabe, an ihrem Ausgang Frequenzsignale
mit wählbarer Frequenz von hoher Genauigkeit und Stabilität
bereitzustellen. In der Regel handelt es sich dabei um Sig
nale, mit sinusförmigem Amplitudenverlauf. Typische Anwen
dungen für solche Frequenzsignale liegen auf den Gebieten
der Kommunikationstechnik, der Erzeugung und Verarbeitung
von Radarimpulsen bzw. Radarechos, automatischen Testsyste
men zur Überwachung der Stabilität von zeitlich konstanten
oder zeitlich veränderlichen Größen und dem weiten Feld der
Erzeugung und Analyse von Frequenzspektren.
Die Umschaltung des Ausgangssignales eines digitalen
Frequenzerzeugungsgerätes nach dem Stand der Technik von
einer ersten ausgewählten Frequenz auf eine zweite erfolgt
üblicherweise phasenkontinuierlich, d. h., daß zum Zeitpunkt
der Umschaltung Amplitude und Phase des Ausgangssignales mit
der ersten Frequenz f1 übereinstimmen mit Amplitude und Phase
des Ausgangssignales bei der zweiten Frequenz f2. Bei einem
Zurückschalten des Ausgangssignales von der Frequenz f2 auf
die Frequenz f1 wird das Ausgangssignal ebenfalls phasen
kontinuierlich fortgesetzt mit dem aktuellen Amplituden- und
Phasenwert des f2-Signales zum Zeitpunkt der Rückumschaltung
auf die Frequenz f1. Da die ursprüngliche Phase des ersten
Ausgangssignals mit der Frequenz f1 nicht gespeichert ist und
bei der Rückumschaltung von der Frequenz f2 auf die Frequenz
f1 die gerade anstehende Phase weitergeführt wird, geht bei
mehrfacher Frequenzumschaltung bei einem herkömmlichen digi
talen Frequenzerzeugungsgerät die Phasenkohärenz mit dem
Ursprungssignal prinzipiell verloren.
In dem oben erwähnten Handbuch wird zwar die prinzipielle
Möglichkeit einer phasenkohärenten Umschaltung angedeutet,
bei der beispielsweise nach einer Schaltungssequenz des Aus
gangssignales von einer ursprünglichen Frequenz f1 auf eine
weitere Frequenz f2 und wieder zurück auf die Frequenz f1 das
neue Signal mit der Frequenz f1 phasenkohärent zu dem ur
sprünglichen Signal mit der Frequenz f1 fortgesetzt wird,
jedoch ist diese Möglichkeit nur für Umschaltungen oberhalb
von Frequenzschritten der Größenordnung 1 MHz vorgesehen,
wobei die entsprechenden Frequenzverschiebungen zwischen den
gewählten Frequenzen nicht in digitaler, sondern in direkt
analoger Technik durch Mischen von festen, phasenstarren
Oszillatorfrequenzen aus einer Systemuhr erzeugt werden.
Bei vielen technischen Anwendungen, insbesondere aber bei
Anwendungen auf dem Gebiet der Kernspinresonanz ist es je
doch wünschenswert, bei einer Rückschaltung von der zweiten
gewählten Frequenz auf die erste Frequenz ein Ausgangssignal
zu erhalten, das die gleiche Phasenlage aufweist, die das
ursprüngliche Signal bei der ersten Frequenz zum Zeitpunkt
der Rückumschaltung aufwiese, wenn keine Umschaltung dazwi
schen stattgefunden hätte, wobei aber die Frequenzverschie
bungen beim Umschalten weit unterhalb des 1 MHz-Bereiches
liegen, so daß die Anwendung der geschilderten direkt-analo
gen Mischtechnik ausscheidet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein digi
tales Frequenzerzeugungsgerät bereitzustellen, mit dem eine
mehrfache, phasenkohärente Frequenzumschaltung des Ausgangs
signales möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Frequenzerzeugungsgerät einen zweiten digitalen Frequenz
generator aufweist, der an seinem Ausgang ein zweites Signal
mit der wählbaren zweiten Frequenz f2 erzeugt, daß der Aus
gang des zweiten digitalen Frequenzgenerators alternativ zum
Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators auf die Aus
gangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes geschaltet werden
kann, während der erste digitale Frequenzgenerator unab
hängig davon weiterläuft, und daß anschließend wieder der
Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators alternativ
zum Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgenerators auf die
Ausgangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes geschaltet wer
den kann.
Eine solche Anordnung zweier digitaler Frequenzgeneratoren
erlaubt eine phasenkontinuierliche Umschaltung von einer
ersten auf eine zweite wählbare Frequenz sowie eine phasen
kohärente Rückschaltung von der zweiten auf die erste Fre
quenz. Der erste digitale Frequenzgenerator wirkt dabei als
"Master" und läuft permanent durch, während der zweite digi
tale Frequenzgenerator von Fall zu Fall ein Ausgangssignal
mit einer anderen wählbaren Frequenz als der des ersten
digitalen Frequenzgenerators und mit kontinuierlich auf den
letzten Phasenwert des Signals aus dem ersten digitalen Fre
quenzgenerator umschaltbarer Phase liefert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Frequenzerzeugungsgerätes sind sowohl der erste als auch der
zweite digitale Frequenzgenerator auf einem einzigen FPGA
(free programmable gate array) integriert. Dadurch wird das
Frequenzerzeugungsgerät besonders billig und kompakt und das
ohnehin benötigte FPGA wird optimal ausgenutzt. Durch die
Verwendung von nur einem statt zweier Bauteile erhöht sich
auch die Ausfallsicherheit des Gerätes.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen
den Ausgängen der beiden digitalen Frequenzgeneratoren und
der Ausgangsstufe des Frequenzerzeugungsgerätes ein Multi
plexer vorgesehen, der als Umschalter wirkt, so daß nur ein
Signal an die Ausgangsstufe weitergegeben wird. Dadurch
steht jeweils lediglich ein Ausgangssignal am Ausgang des
aus dem Frequenzerzeugungsgerätes an, so daß auch nur ein
einziger Signalabgriff nötig ist.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Phasen
anschluß beim Umschalten von der ersten Frequenz f1 auf die
zweite Frequenz f2 frei wählbar ist. Dies kann am einfachsten
dadurch realisiert werden, daß zu dem im zweiten digitalen
Frequenzgenerator erzeugten Signal ein einstellbarer Phasen-
Offset-Wert addiert wird.
Besonders geeignet für NMR-Anwendungen ist eine Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Frequenzerzeugungsgerätes, bei
dem die Frequenzen f1, f2 im Bereich 10 MHz bis einige
100 MHz liegen. Vorzugsweise erfaßt die Frequenzverschiebung
Werte von Δf = |f1 - f2| < 100 kHz, insbesondere < 10 kHz.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste digi
tale Frequenzgenerator ein Phaseninkrementierglied, ein Ad
dierglied und ein Phasenregister auf, wobei das Phaseninkre
mentierglied im Takt einer Systemuhr das Addierglied veran
läßt, den Phasenwert ϕ1, welchen das Phasenregister an den
Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenerators gibt, um ein
festes Phaseninkrement Δϕ1 zu erhöhen; der zweite digitale
Frequenzgenerator weist ein Phaseninkrementierglied, ein
Addierglied, einen Multiplexer und ein Phasenregister auf,
wobei das Phaseninkrementierglied im Takt der Systemuhr das
Addierglied veranlaßt, den Phasenwert ϕ2, welchen das Phasen
register an den Ausgang des zweiten digitalen Frequenzgene
rators gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ2 zu
erhöhen, falls der Multiplexer den Ausgang des Addiergliedes
an den Eingang des Phasenregisters schaltet, oder wobei der
Multiplexer veranlaßt durch ein Signal aus einem Steuerglied
den Ausgang des Addiergliedes des ersten digitalen Frequenz
generators auf den Eingang des Phasenregisters des zweiten
digitalen Frequenzgenerators schaltet; veranlaßt durch das
Steuerglied schaltet ein weiterer Multiplexer schließlich
alternativ den Ausgang des ersten digitalen Frequenzgenera
tors oder den Ausgang des zweiten digitalen Frequenz
generators an den Eingang der Ausgangsstufe des Frequenz
erzeugungsgerätes.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei
der im zweiten digitalen Frequenzgenerator zusätzlich ein
von der Systemuhr getaktetes Phasenverschiebeglied sowie ein
weiteres Addierglied vorgesehen ist, wobei ein Eingang des
weiteren Addiergliedes mit dem Ausgang des Phasenregisters
und ein anderer Eingang des weiteren Addiergliedes mit dem
Ausgang des Phasenverschiebegliedes, an dem ein wählbares
Phasen-Offset-Signal ansteht, verbunden ist, und wobei der
Ausgang des weiteren Addiergliedes den Ausgang des zweiten
digitalen Frequenzgenerators bildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Frequenzerzeugungsgerätes weist die Ausgangs
stufe ein Speicherglied mit einer digitalen Sinus-Tabelle
auf, die dem am Eingang der Ausgangsstufe anstehenden digi
talen Phasensignal den zugehörigen digitalen Amplitudenwert
einer normierten digitalisierten Sinuskurve zuordnet, wel
cher in einem der digitalen Sinus-Tabelle nachgeschalteten
Digital-Analog-Konverter (DAC) zu einem analogen Frequenz
signal umgewandelt werden kann.
Bevorzugt ist schließlich eine Weiterbildung dieser Ausfüh
rungsform, bei der dem Digital-Analog-Konverter ein Tiefpaß-
Filter nachgeschaltet ist, dessen Ausgang den Ausgang der
Ausgangsstufe bildet. Dieses Tiefpaß-Filter dient zur Glät
tung der treppenförmigen, quasi-analogen Ausgangssignale, so
daß am Ausgang der Ausgangsstufe letztlich ein Sinus-Signal
steht.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des oben beschrie
benen erfindungsgemäßen digitalen Frequenzerzeugungsgerätes
ist die Kernspinresonanz (NMR)-Technik. Da mit den herkömm
lichen Frequenzerzeugungsgeräten nach dem Stand der Technik
keine phasenkohärente, sondern lediglich eine phasenkonti
nuierliche Frequenzumschaltung möglich war, konnte in einer
Meßsequenz, bei der zur Anregung oder Detektion mehr als
eine Frequenz benötigt wird, bei vorgegebenen Umschaltzeiten
nur in genau definierten Frequenzschritten auf die verschie
denen Frequenzen umgeschaltet werden, um die in vielen NMR-
Experimenten erforderliche Phasenkohärenz zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher auch, ein NMR-Verfahren
bereitzustellen, bei dem kohärente Kernspinanregungen bei
unterschiedlichen Anregungsfrequenzen zu beliebigen Zeit
punkten in einer Sequenz möglich sind.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum
Betrieb einer NMR-Apparatur, bei dem eine Sequenz von Hoch
frequenz (HF)-Impulsen in einen Meßraum eingestrahlt wird,
welche Sequenz mindestens einen Anregungsimpuls mit einer
Frequenz fA und einer Phase ϕA zum Anregen ausgewählter Kern
spins eines im Meßraum befindlichen Probenkörpers enthält,
und bei dem mindestens ein weiterer HF-Impuls, gegebenen
falls ein Referenzimpuls mit einer Frequenz fR und einer
Phase ϕR verwendet wird und noch einmal ein HF-Impuls der
Frequenz fA und einer bezüglich ϕA definierten Phase ϕA′.
Die obige Aufgabe wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung
dadurch gelöst, daß alternativ der Anregungsimpuls oder der
weitere HF-Impuls dem Ausgang eines digitalen Frequenzerzeu
gungsgerätes, das insbesondere in der oben beschriebenen Art
ausgebildet ist, entnommen wird, wobei von der Anregungs
frequenz phasenkontinuierlich auf die weitere HF-Frequenz
umgeschaltet und die weitere HF-Frequenz phasenkohärent auf
die Anregungsfrequenz zurückgeschaltet wird. Durch die Mög
lichkeit der jederzeitigen phasenkohärenten Rückumschaltung
auf die Bezugsfrequenz bleibt der Phasenzusammenhang mit dem
ersten HF-Impuls der Frequenz fA bei einer weiteren Anregung
mit der Frequenz fA trotz zwischenzeitlicher Frequenzum
schaltungen erhalten.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine Anwendung des
oben genannten Verfahrens in der NMR-Bildgebung. Besonders
bevorzugt ist dabei die Verwendung einer Multi-Slice-RARE
Impulssequenz als NMR-Bildgebungssequenz.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er
läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entneh
menden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der
Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger
Kombination Anwendung finden. Es zeigen:
Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild einer Ausfüh
rungsform dieses erfindungsgemäßen digitalen
Frequenzerzeugungsgerätes;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Phasenentwicklung bei phasen
kontinuierlicher Frequenzumschaltung nach dem
Stand der Technik bzw. bei phasenkohärenter
Frequenzumschaltung gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 ein schematisches Zeitdiagramm einer RARE-Meß
sequenz mit Anregungs- und Echoimpulsen sowie
Frequenzen- und Gradientenverläufen.
Die üblichen Frequenzerzeugungsgeräte arbeiten im
Hochfrequenz (HF)-Bereich und erzeugen sehr genaue, hochsta
bile und schnelle umschaltbare Frequenzsignale. Innerhalb
eines bestimmten Frequenzbereiches können sie entweder
manuell oder durch Fernbedienung auf praktisch jede beliebi
ge Ausgangsfrequenz programmiert werden. Diese Ausgangs
frequenz ist so genau und stabil wie der eingebaute
Frequenzstandard, der üblicherweise aus einem Kristall
oszillator besteht, oder wie ein externer Präzisionsstan
dard, der anstelle eines eigenen internen Standards an den
Frequenzgenerator angeschlossen werden kann. Wenn besonders
hohe Stabilitäten erwünscht sind, werden oftmals Atom- oder
Molekülstandards benutzt.
Um eine Ausgangsfrequenz von einem Referenzstandard zu
erzeugen, benutzen moderne Frequenzsynthesizer drei unter
schiedliche Technologien einzeln oder in Kombination, näm
lich die direkt-analoge, die indirekt-digitale und die
direkt-digitale Frequenzerzeugung. Die Erfindung bezieht
sich lediglich auf ein Frequenzerzeugungsgerät mit direkt
digitaler Technologie.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes digitales
Frequenzerzeugungsgerät 1 mit einem ersten digitalen Fre
quenzgenerator 10, einem zweiten digitalen Frequenzgenerator
20 und einer Ausgangsstufe 30. Der erste digitale Frequenz
generator 10 besteht aus einem Phaseninkrementierglied 11,
einem Addierglied 12 und einem Phasenregister 13. Das
Phaseninkrementierglied 11 enthält ein vorwählbares festes
Phaseninkrement Δϕ1, das im Takt einer Systemuhr 2 im
Addierer 12 zu einem im Phasenregister 13 befindlichen
Phasenwert hinzuaddiert wird. Die Summe aus der Addition
dieser beiden Werte wird vom Addierer 12 an das Phasen
register 13 weitergegeben, welches sie am Ausgang 19 des
ersten Frequenzgenerators 10 als erstes Phasensignal bereit
stellt.
Der zweite digitale Frequenzgenerator 20 weist ein Phasen
inkrementierglied 21, ein Addierglied 22, einen Multiplexer
24 und ein Phasenregister 23 auf. Ebenso wie beim ersten
digitalen Frequenzgenerator 10 addiert das Addierglied 22 zu
dem aus dem Phaseninkrementierglied bereit gestellten vor
wählbaren Phaseninkrement Δϕ2 den im Phasenregister 23 an
stehenden Phasenwert. Die Summe aus dieser Addition wird in
den Multiplexer 24 eingegeben. In den anderen Eingang des
Multiplexers 24 wird der Ausgangswert aus dem Addierglied 12
des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 eingegeben. Ange
steuert durch ein Steuerglied 3 gibt der Multiplexer 24 ent
weder den Phasenwert aus dem Addierglied 22 oder den Phasen
wert aus dem Addierglied 12 an den Eingang des Phasenre
gisters 23 weiter. Das Phasenregister 23 wiederum gibt den
aktuell anstehenden Phasenwert im Takt der Systemuhr 2 an
ein weiteres Addierglied 26 weiter, in dem ein wählbarer
Phasen-Offset-Wert aus einem Phasenverschiebeglied 25 zu dem
Phasenwert aus Phasenregister 23 hinzuaddiert wird. Die
Summe aus dieser Addition steht am Ausgang 29 des zweiten
digitalen Frequenzgenerators 20 als zweites Phasensignal an.
Die Signale der Ausgänge 19 und 29 des ersten digitalen Fre
quenzgenerators 10 und des zweiten digitalen Frequenz
generators 20 werden den Eingängen eines Multiplexers 4 zu
geführt, der aufgrund eines Steuersignals aus dem Steuer
glied 3 alternativ entweder das eine oder das andere der
beiden Phasensignale an den Eingang der Ausgangsstufe 30
weiterleitet.
Die Ausgangsstufe 30 wiederum besteht im dargestellten Aus
führungsbeispiel aus einem Speicherelement, das eine
digitale Sinus-Tabelle 31 enthält, einem Digital-Analog-Kon
verter (DAC) 32 sowie einem Tiefpaß-Filter 33. In der Sinus-
Tabelle 31 wird dem anstehenden Phasensignal aus dem Multi
plexer 4 der zugehörige digitale Amplitudenwert einer nor
mierten digitalen Sinuskurve zugeordnet und an den nach
geschalteten Digital-Analog-Konverter 32 weitergereicht. Im
Takt der Systemuhr 2 gibt der Digital-Analog-Konverter 32
das jeweils anstehende Amplitudensignal, das dem jeweils
anstehenden Phasenwert entspricht, in das Tiefpaß-Filter 33
weiter, wo eine zeitliche Glättung der treppenkurvenförmigen
Amplitudenwerte aus dem Digital-Analog-Konverter 32 erfolgt,
so daß am Ausgang 39 der Ausgangsstufe 30 schließlich ein
sinusförmiges analoges Frequenzsignal abgegriffen werden
kann.
Beim Betrieb des Frequenzerzeugungsgerätes 1 wird zunächst
eine erste Frequenz f1 ausgewählt, die im ersten digitalen
Frequenzgenerator 10 erzeugt, und über den Multiplexer 4 an
die Ausgangsstufe 30 weitergereicht wird, an deren Ausgang
39 dann ein entsprechendes analoges sinusförmiges Frequenz
signal abgegriffen werden kann. Die Größe der Frequenz f1
wird über den wählbaren Eingabewert Δϕ1 im Phaseninkre
mentierglied 11 in Verbindung mit der Referenzfrequenz aus
der Systemuhr 2 bestimmt.
Wird nun vermittels des Steuergliedes 3 auf eine zweite
wählbare Frequenz f2 aus dem zweiten digitalen Frequenz
generator 20 umgeschaltet, so kann das Ausgangssignal mit
der zweiten Frequenz f2 entweder bei einem beliebig vorgeb
baren Phasen-Offset-Wert aus dem Phasenverschiebeglied 25
beginnen, falls vorher das Phasensignal aus dem Phasen
register 23 auf Null gesetzt wurde, vorausgesetzt, daß auf
grund eines entsprechenden Signales aus dem Steuerglied 3
der Multiplexer 24 das Phasensignal aus dem Addierglied 22
an das Phasenregister 23 weitergibt. In diesem Falle steht
am Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20
ein sowohl nach der Frequenz als auch nach der Phasenlage
vom vorhergehenden ersten Signal aus dem ersten digitalen
Frequenzgenerator 10 völlig unabhängiges zweites Signal am
Eingang des Multiplexers 4 an, welches aufgrund eines
Steuerimpulses aus dem Steuerglied 3 vom Multiplexer 4 an
die Ausgangsstufe 30 weitergegeben wird.
Falls jedoch das Steuerglied 3 den Multiplexer 24 im ersten
"aktiven" Takt des zweiten digitalen Frequenzgenerators 20
dazu veranlaßt, als erstes Phasensignal das Signal aus dem
Addierglied 12 an das Phasenregister 23 weiterzugeben, gibt
das Addierglied 26 an den Ausgang 29 des zweiten digitalen
Frequenzgenerators 20 als Phasensignal das zuletzt am
Addierglied 12 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10
anstehende Phasensignal erhöht um den Phasen-Offset-Wert aus
dem Phasenverschiebeglied 25. Falls der Phasen-Offset-Wert
im Phasenverschiebeglied 25 zu Null gewählt wurde, so steht
also im Augenblick der Umschaltung auf den zweiten digitalen
Frequenzgenerator 20 an dessen Ausgang 29 ein Phasensignal
an, das gleich dem aktuellen Phasensignal am Ausgang 19 des
ersten digitalen Frequenzgenerators 10 ist. Damit ist der
phasenkontinuierliche Anschluß des zweiten Signales an das
erste Signal gegeben. Im nächsten Taktschritt aus der
Systemuhr 2 wird das Steuerglied 3 den Multiplexer 24 derart
umschalten, daß nur noch die Phasenwerte aus dem Addierglied
22 an das Phasenregister 23 weitergegeben werden. Beim zwei
ten Takt steht dann also im Phasenregister 23 ein Phasen
signal an, das dem um das Phaseninkrement Δϕ2 aus dem Phasen
inkrementierglied 21 erhöhten letzten Phasenwert aus dem
Addierglied 12 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10
entspricht. Dieser Wert wird im folgenden dann bei jedem
Systemtakt jeweils um das vom Phaseninkrement Δϕ1 unter
schiedliche Phaseninkrement Δϕ2 erhöht, so daß das Phasen
signal am Ausgang 29 des zweiten digitalen Frequenz
generators 20 ab dem Zeitpunkt des Umschaltens nach Durch
laufen der Ausgangsstufe 30 am Ausgang 39 ein Frequenzsignal
mit der zweiten Frequenz f2 bewirkt.
Bei der Rückumschaltung auf die erste Frequenz f1 wird über
das Steuerglied 3 der Multiplexer 4 veranlaßt, statt des
Phasensignales aus dem Ausgang 29 des zweiten digitalen Fre
quenzgenerators 20 nunmehr wiederum das Phasensignal aus dem
Ausgang 19 des ersten digitalen Frequenzgenerators 10 an die
Ausgangsstufe 30 weiterzuleiten. Da der erste digitale Fre
quenzgenerator 10 in der Zwischenzeit unabhängig vom zweiten
digitalen Frequenzgenerator 20 weitergelaufen ist, erfolgt
also die Rückumschaltung auf das Frequenzsignal mit der er
sten Frequenz f1 phasenkohärent zu dem ursprünglichen Fre
quenzsignal mit der Frequenz f1.
Die obigen Ausführungen werden in Fig. 2 illustriert, wo in
der unteren Bildhälfte das zeitliche Umschalten der Frequenz
f des Ausgangssignales zwischen den beiden Frequenzen f1 und
f2 dargestellt ist. Die obere Bildhälfte zeigt jeweils punk
tiert die ungestörten zeitlichen Entwicklungen der zugehöri
gen Phasen ϕ1 bzw. ϕ2. Mit einer gestrichelten Linie ist der
Phasenverlauf bei phasenkontinuierlichen Umschaltungen
zwischen den Frequenzen f1 und f2 dargestellt, wie er nach
dem Stand der Technik erfolgt. Wie oben erläutert, gibt das
erfindungsgemäße digitale Frequenzerzeugungsgerät die
Möglichkeit zu jeweils phasenkohärenten Umschaltungen
zwischen den Frequenzen f1 und f2. Die zugehörige Kurve im
Phasendiagramm von Fig. 2 ist mit Kreisen dargestellt. Die
andere Option, nämlich eine phasenkontinuierliche Um
schaltung von der Frequenz f1 auf die Frequenz f2 und eine
phasenkohärente Zurückschaltung von der Frequenz f2 auf die
Frequenz f1 ist im Phasendiagramm mit einer durchgezogenen
Linie dargestellt.
Ein Hauptanwendungsgebiet für die Möglichkeit der phasenko
härenten Frequenzumschaltung ist die Kernspinresonanz (NMR)-
Technik. Die Frequenzen, die dort Anwendung finden, liegen
typischerweise im Bereich zwischen 10 MHz bis einigen
100 MHz. Die Frequenzverschiebung Δf = |f1 - f2| beim Um
schalten zwischen zwei Frequenzen f1 und f2 ist typischer
weise kleiner als 10 kHz.
Bei NMR-Experimenten wird eine Sequenz von HF-Impulsen in
einen Meßraum eingestrahlt, in welchem ein Probenkörper
einem starken homogenen Magnetfeld B0 ausgesetzt ist. Eine
solche NMR-Meßsequenz enthält mindestens einen Anregungs
impuls mit einer Frequenz fA und einer Phase ϕA zum Anregen
ausgewählter Kernspins im Probenkörper. Bei schicht
selektiver Anregung der Kernspins wird zusätzlich ein magne
tisches Gradientenfeld, der sogenannte Schicht
selektionsgradient GS in den Meßraum eingestrahlt, das in der
Überlagerung mit dem homogenen magnetischen Grundfeld B0 ein
in einer Raumrichtung linear veränderliches magnetisches
Feld ergibt. Wenn nun ein HF-Impuls mit einer Frequenz fR
eine Anregung der Kernspins in einer Schicht senkrecht zur
Richtung des linearen Schichtselektionsgradienten GS bewirkt,
so erzeugen andere Anregungsimpulse mit Frequenzen kleiner
als fR Anregungen in dazu parallelen Schichten in Gradienten
richtung gesehen vor der erstgenannten Schicht und An
regungsimpulse mit Frequenzen größer als fR Anregungen in
parallelen Schichten hinter der erstgenannten Schicht. Bei
der Auswahl einer Schicht können bei entsprechender
räumlicher Ausdehnung des Meßraums die Anregungsfrequenzen
an den beiden gegenüberliegenden Enden relativ stark von der
Referenzfrequenz fR abweichen.
Dabei ist weniger die Erzeugung der unterschiedlichen Anre
gungsfrequenzen ein Problem, sondern vielmehr die Tatsache,
daß bisher die Detektionselektronik für die doppelte oder
gar vierfache Bandbreite ausgelegt sein muß, um die Signale
einschließlich der obengenannten Frequenzverschiebung auf
nehmen zu können. Das hat zur Folge, daß auch entsprechend
mehr Datenspeicher vorhanden sein muß. Daher werden bei der
Erfindung in vorteilhafter Weise die Signale, die aus den
verschiedenen Schichten kommen, mit der Referenzfrequenz fR,
die der Resonanzfrequenz ohne Gradienten entspricht, detek
tiert, so daß die Signale aller Schichten im gleichen, d. h.
unverschobenen Frequenzbereich erscheinen. Beim Rückum
schalten auf die jeweilige Anregungsfrequenz ist aber eine
unbedingte Phasenkohärenz mit den vorherigen HF-An
regungsimpulsen erforderlich. Diese wird durch den Einsatz
des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Frequenzerzeugungs
gerätes sichergestellt.
In Fig. 3 schließlich ist eine Anwendung der erfindungs
gemäßen phasenkohärenten Frequenzumschaltung auf dem Gebiet
der NMR-Bildgebungstechnik verdeutlicht. Die mit "HF"
bezeichnete oberste Bildzeile zeigt HF-Anregungsimpulse
einer "RARE"-Sequenz, wobei als erster Anregungsimpuls
schematisch ein sogenannter 90°-Impuls und als weiterer
Anregungsimpuls jeweils 180°-Impulse dargestellt sind.
Zwischen den 180°-Impulsen liegen die zeitlich jeweils ab
nehmenden Echoimpulse, die während des Anliegens eines Aus
lesegradienten, der in der mit GR bezeichneten letzten Zeile
von Fig. 3 dargestellt ist, ausgelesen werden. Während der
Dauer der HF-Impulse liegt jeweils ein mit G3 bezeichneter
Schichtselektionsgradient an. Die Umschaltung zwischen der
Anregungsfrequenz fA und der Referenzfrequenz fR ist in der
zweiten und dritten Bildzeile von Fig. 3 dargestellt.
Selbstverständlich muß hierbei die Umschaltung von der
Referenzfrequenz fR auf die Anregungsfrequenz fA jeweils
phasenkohärent erfolgen, während die Umschaltung von der
Anregungsfrequenz fA auf die Referenzfrequenz fR auch phasen
kontinuierlich erfolgen kann.
Ein weiteres Feld für Anwendungen eines digitalen Frequenz
erzeugungsgerätes mit phasenkohärenter Frequenzumschaltung
liegt auf dem Gebiet der NMR-Spektroskopie.
Claims (14)
1. Digitales Frequenzerzeugungsgerät mit einer Ausgangsstufe
und einem ersten digitalen Frequenzgenerator, der an
seinem Ausgang ein erstes Signal mit einer wählbaren
ersten Frequenz f1 und mit einer ersten Phasenlage ϕ1
erzeugt, welches auf die Ausgangsstufe des Frequenz
erzeugungsgerätes derart geschaltet werden kann, daß am
Ausgang der Ausgangsstufe ein Signal mit der ersten
Frequenz f1 und der ersten Phasenlage ϕ1 ansteht, wobei
die erste Frequenz f1 am Ausgang der Ausgangsstufe auf
eine wählbare zweite Frequenz f2 mit bezüglich der ersten
Frequenz f1 definiertem, insbesondere kontinuierlichem
Phasenanschluß umschaltbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Frequenzerzeugungsgerät (1) einen zweiten digi talen Frequenzgenerator (20) aufweist, der an seinem Aus gang (29) ein zweites Signal mit der wählbaren zweiten Frequenz f2 erzeugt,
daß der Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenz generators (20) alternativ zum Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann, während der erste Frequenzgenerator (10) unabhängig davon weiterläuft,
und daß anschließend wieder der Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) alternativ zum Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann.
daß das Frequenzerzeugungsgerät (1) einen zweiten digi talen Frequenzgenerator (20) aufweist, der an seinem Aus gang (29) ein zweites Signal mit der wählbaren zweiten Frequenz f2 erzeugt,
daß der Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenz generators (20) alternativ zum Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann, während der erste Frequenzgenerator (10) unabhängig davon weiterläuft,
und daß anschließend wieder der Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) alternativ zum Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) auf die Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) geschaltet werden kann.
2. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der
zweite digitale Frequenzgenerator (10 bzw. 20) auf einem
einzigen FPGA integriert sind.
3. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Ausgängen (19 bzw. 29) der beiden digitalen Frequenz
generatoren (10 bzw. 20) und der Ausgangsstufe (30) des
Frequenzerzeugungsgerätes (1) ein Multiplexer (4) vorge
sehen ist.
4. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Phasenanschluß beim Umschalten von der ersten Frequenz f1
auf die zweite Frequenz f2 frei wählbar ist.
5. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre
quenzen f1, f2 im Bereich 10 MHz bis einige 100 MHz
liegen.
6. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die
Frequenzverschiebung Δf = |f1 - f2| beim Umschalten
zwischen den beiden Frequenzen f1 und f2 gilt: Δf<100 kHz,
insbesondere Δf<10 kHz.
7. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
digitale Frequenzgenerator (10) ein Phaseninkrementier
glied (11), ein Addierglied (12) und ein Phasenregister
(13) aufweist, wobei das Phaseninkrementierglied (11) im
Takt einer Systemuhr (2) das Addierglied (12) veranlaßt,
den Phasenwert ϕ1, welchen das Phasenregister (13) an den
Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10)
gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ1 zu er
höhen;
daß der zweite digitale Frequenzgenerator (20) ein Phaseninkrementierglied (21), ein Addierglied (22), einen Multiplexer (24) und ein Phasenregister (23) aufweist, wobei das Phaseninkrementierglied (21) im Takt der Systemuhr (2) das Addierglied (22) veranlaßt, den Phasenwert ϕ2, welchen das Phasenregister (23) an den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ2 zu erhöhen, falls der Multiplexer (24) den Ausgang des Addiergliedes (22) an den Eingang des Phasenregisters (23) schaltet, oder wobei der Multiplexer (24), veranlaßt durch ein Signal aus einem Steuerglied (3) den Ausgang des Addiergliedes (12) des ersten digitalen Frequenz generators (10) auf den Eingang des Phasenregisters (23) des zweiten Frequenzgenerators (20) schaltet;
und daß ein Multiplexer (4), veranlaßt durch das Steuer glied (3) entweder den Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) oder den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) an den Eingang der Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) schaltet.
daß der zweite digitale Frequenzgenerator (20) ein Phaseninkrementierglied (21), ein Addierglied (22), einen Multiplexer (24) und ein Phasenregister (23) aufweist, wobei das Phaseninkrementierglied (21) im Takt der Systemuhr (2) das Addierglied (22) veranlaßt, den Phasenwert ϕ2, welchen das Phasenregister (23) an den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) gibt, um jeweils ein festes Phaseninkrement Δϕ2 zu erhöhen, falls der Multiplexer (24) den Ausgang des Addiergliedes (22) an den Eingang des Phasenregisters (23) schaltet, oder wobei der Multiplexer (24), veranlaßt durch ein Signal aus einem Steuerglied (3) den Ausgang des Addiergliedes (12) des ersten digitalen Frequenz generators (10) auf den Eingang des Phasenregisters (23) des zweiten Frequenzgenerators (20) schaltet;
und daß ein Multiplexer (4), veranlaßt durch das Steuer glied (3) entweder den Ausgang (19) des ersten digitalen Frequenzgenerators (10) oder den Ausgang (29) des zweiten digitalen Frequenzgenerators (20) an den Eingang der Ausgangsstufe (30) des Frequenzerzeugungsgerätes (1) schaltet.
8. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach Anspruch 7, da
durch gekennzeichnet, daß im zweiten digitalen Frequenz
generator (20) zusätzlich ein von der Systemuhr (2) ge
taktetes Phasenverschiebeglied (25) sowie ein weiteres
Addiergliedes (26) vorgesehen ist, wobei ein Eingang des
weiteren Addiergliedes (26) mit dem Ausgang des Phasen
registers (23) und ein anderer Eingang des weiteren
Addiergliedes (26) mit dem Ausgang des Phasenverschiebe
glieds (25), an dem ein wählbares Phasen-Offset-Signal
ansteht, verbunden ist, und wobei der Ausgang des
weiteren Addiergliedes (26) den Ausgang (29) des zweiten
digitalen Frequenzgenerators (20) bildet.
9. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus
gangsstufe (30) ein Speicherglied mit einer digitalen
Sinus-Tabelle (31) aufweist, die dem am Eingang der Aus
gangsstufe (30) anstehenden digitalen Phasensignal den
zugehörigen digitalen Amplitudenwert einer normierten
digitalisierten Sinuskurve zuordnet, welcher in einem der
digitalen Sinus-Tabelle (31) nachgeschalteten Digital-
Analog-Konverter (32) zu einem analogen Frequenzsignal
umgewandelt werden kann.
10. Digitales Frequenzerzeugungsgerät nach Anspruch 9, da
durch gekennzeichnet, daß dem Digital-Analog-Konverter
(32) ein Tiefpaß-Filter (33) nachgeschaltet ist, dessen
Ausgang den Ausgang (39) der Ausgangsstufe (30) bildet.
11. Verfahren zum Betrieb einer Kernspinresonanz (NMR)-
Apparatur, bei dem eine Sequenz von Hochfrequenz (HF)-Im
pulsen in einen Meßraum eingestrahlt wird, welche Sequenz
mindestens einen Anregungsimpuls mit einer Frequenz fA
und einer Phase ϕA zum Anregen ausgewählter Kernspins
eines im Meßraum befindlichen Probenkörpers enthält,
und bei dem mindestens eine weitere HF-Frequenz, ggf.
eine Referenzfrequenz fR mit einer Phase ϕR verwendet
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß alternativ die Frequenz fA und die weitere
Frequenz fR dem Ausgang (39) eines digitalen Frequenz
erzeugungsgerätes (1), das insbesondere nach einem der
vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, entnommen wird,
wobei die Anregungsfrequenz fA mit vorgegebenem
Phasenanschluß auf die weitere Frequenz fR umgeschaltet
und später die weitere Frequenz fR phasenkohärent auf die
Anregungsfrequenz fA zurückgeschaltet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die aufgrund des Anregungsimpulses erzeugten
Kernspinresonanzsignale zur Weiterverarbeitung mit einer
Referenzfrequenz fR gemischt werden.
13. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12 zur
NMR-Bildgebung.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Multislice-RARE Impulssequenz zur NMR-Bildgebung
verwendet wird.
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