【正文】 ........26 第 5 章 結(jié)論 ...............................................................................................................27 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................28 致 謝 .....................................................................................................................29 附錄 A 電路總原理圖 ..............................................................................................30 附錄 B PCB 板圖 .......................................................................................................31 附錄 C PCB3D 板圖 ..................................................................................................32 附錄 D 匯編程序 ......................................................................................................33 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 核磁共振的發(fā)展與應(yīng)用介紹 自從 1946 年，斯坦福大學(xué)的布洛赫 () 和哈佛大學(xué)的珀賽爾()分別通過(guò)液體水和石 蠟發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，并由此獲得 1952 年的諾貝爾獎(jiǎng)，此開(kāi)創(chuàng)了磁共振研究領(lǐng)域，先后 12 位科學(xué)家在此領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 1955 年后，隨著核磁共振在化學(xué)生物領(lǐng)域的作用變得明顯，開(kāi)始出現(xiàn)了商品化儀器。 從 1965 年開(kāi)始，核磁共振技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段。它使分析立體有機(jī)化學(xué)成為可能。伴隨著高場(chǎng)譜儀的出現(xiàn)、計(jì)算機(jī)軟件和硬件的應(yīng)用、 FTNMR 技術(shù)的完善、 2DNMR 和固體線型窄化技術(shù)的發(fā)展， NMR 可用于解決更多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題。 1986 年到現(xiàn)在，核磁共振的發(fā)展進(jìn)入了高潮期。 當(dāng)前，核磁共振技術(shù)作為一種邊緣學(xué)科，涉及物理、電子、計(jì)算機(jī)、磁學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 磁場(chǎng)方面，對(duì)高場(chǎng)高頻的追求是永無(wú)止境的。 探頭方面，自動(dòng)調(diào)諧已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。 目前，這些關(guān)鍵技術(shù)都由幾大國(guó)外跨國(guó)公司所壟斷。在地質(zhì)勘測(cè)方面，儀器主要用于勘探石油和水源 。比如，我國(guó)“ 300MHZ~500MHZ 核磁共振波譜儀的研制”項(xiàng)目才剛啟動(dòng) ，而美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研制出 的固態(tài)核磁共振儀器，所以差距是很明顯的。比如，北京大學(xué)的醫(yī)學(xué)物理工程實(shí)驗(yàn)室、華東師范大學(xué)光譜學(xué)與波譜學(xué)實(shí)驗(yàn)室、東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)研究所、北京泰杰磁電 研究所、中科院武漢數(shù)學(xué)物理研究所等。 磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，進(jìn)入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，測(cè)量范圍已經(jīng)擴(kuò)展到 1510? T~ 310 T，比較成熟的測(cè)量方法有電磁感應(yīng)法、磁飽和法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。在磁傳感器技術(shù)中，要求研制小尺寸的“點(diǎn)”探頭，以便測(cè)量各種間隙磁場(chǎng)和不均勻磁場(chǎng) 。磁傳感技術(shù)廣泛用于測(cè)量頻率、角度、位移、溫度等各種非磁量。目前，磁體主要采用永磁體和超導(dǎo)磁體，其中超導(dǎo)系統(tǒng)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但是由于價(jià)格昂貴，例如用于成像的進(jìn)口超導(dǎo)系統(tǒng)一般在 1000 萬(wàn)元左右，并且維護(hù)成本也不菲。只有低成本的儀器才能得到大眾的認(rèn)可和推廣。 值得慶幸的是，我國(guó)具有豐富的稀土永磁資源。它們提供技術(shù)，然后利用沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 我國(guó)的人力資源、礦產(chǎn)資源生產(chǎn)儀器設(shè)備，最后利用我國(guó)廣闊的市場(chǎng)資源，謀取高額利潤(rùn)。它的科學(xué)價(jià)值不僅在于 為我國(guó)工農(nóng)業(yè)等行業(yè)能夠買(mǎi)得起核磁共振分析測(cè)量?jī)x器打下了堅(jiān)實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而且在于因地制宜，充分利用我國(guó)的現(xiàn)有資源，提高人民的生活水平。 (3) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)線路圖。 (2) 采用 CH341 作為 USB 轉(zhuǎn) UART 芯片連接實(shí)驗(yàn)電路和 PC 機(jī)。 其自旋量子數(shù) I 的數(shù)值與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān) ： （ 1） 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)， I=0，原子核無(wú)自旋。根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核的角動(dòng)量 ?P 的長(zhǎng)度取值如下： ?2 )1( ?? IIhp （ 21） 其中， h 是 Plank 常數(shù) sJ ?? ? ； I 是自旋量子數(shù)， 每種原子核具有不同的自旋量子數(shù)。根據(jù)電磁學(xué)理論，原子核的自旋將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小用原子核磁矩 u? 來(lái)表示。當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)， 核磁矩的取向是任意的。如圖 21 所示。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 對(duì)于， H1 ， 2/1?I ，無(wú)外磁場(chǎng) 0B 作用時(shí)，能級(jí)簡(jiǎn)并，磁性相互抵消，加上外磁場(chǎng)場(chǎng) 0B 時(shí)， ? 在磁場(chǎng)中有兩個(gè)取向 (兩個(gè)能級(jí) )，如圖 22 所示。發(fā)生核磁共振的條件為 0hBh ?? ? （ 24） 即 000 2 B???? ?? （ 25） 其中， 0? 、 0? 分別為射頻場(chǎng)的角頻率、頻率，上述公式又稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式。在國(guó) 際單位制 (51)中 ， mH /104 70 ??? ?? （ 27） 影響核磁共振信號(hào)的因素 溫度 溫度 T 越高，兩個(gè)能級(jí)間粒子差數(shù)越小，對(duì)觀察 NMR 信號(hào)越不利，外磁場(chǎng)0B 越強(qiáng)，越有利于觀察 NMR 信號(hào)。 （ 1） 吸收法，也稱自差法或負(fù)載法。當(dāng)滿足共振條件時(shí)，樣品的磁化強(qiáng)度 M 在射頻場(chǎng) B，作用下進(jìn)動(dòng)，出現(xiàn)橫向分量，橫向分量的吸收分量改變了振蕩器的輸出電平，提取輸出電平的變化量，即可獲得 NMR 吸收信號(hào)。沿 Z 軸方向，發(fā)射線圈用于把射頻場(chǎng)能量加到樣品上，而接收線圈用來(lái)接收 NMR 信號(hào)，基本結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 如果所加的射頻場(chǎng)頻率 ? 與共振頻率 0? 不同，則接收線圈中無(wú)信號(hào)。把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)放大、檢波，得到所需 的 NMR 信號(hào)，其幅度與磁化強(qiáng)度的橫向分量成正比。 （ 3） 平衡法，也稱電橋法。因此破壞了電橋的平衡，電橋的輸出端出現(xiàn)一個(gè)正比于 NMR 信號(hào)的電壓變化。 理論分析可知，核磁共振吸收法裝置實(shí)現(xiàn)方便，可靠性好，線路比較簡(jiǎn)單，噪聲系數(shù)較小，對(duì) NMR 信號(hào)敏感，由于邊緣振蕩器的振蕩強(qiáng)度弱，樣品不易飽和，缺點(diǎn)是振蕩頻率的穩(wěn)定性較差，頻率范圍不太寬 。 搜索核磁共振信號(hào)的方法 NMR 信號(hào)微弱，只有周期性出現(xiàn)才方便觀測(cè)，由拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式 ： 000 2 B???? ?? （ 28） 可知，搜索 NMR 信號(hào)的方法有掃場(chǎng)法和掃頻法兩種 。0 BBBB ?? 滿足拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式，若固定射頻頻率 ? ，而連續(xù)改變調(diào)制磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 39。 理論上，掃場(chǎng)法和掃頻法可達(dá)到相同的效果，而實(shí)際上頻率調(diào)制技術(shù)受外界影響較大，有調(diào)制不方便、電路復(fù)雜等問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)上相對(duì)掃場(chǎng)法有一定的困難，本課題采用掃場(chǎng)法。邊緣振蕩器工作在臨界振蕩狀態(tài)，振蕩信號(hào)送到與待測(cè)磁場(chǎng)垂直的樣品線圈，連續(xù)的改變振蕩信號(hào)頻率 ? 。 當(dāng)相鄰 NMR 信號(hào)時(shí)間間隔相等時(shí)，采用 STC12C5410AD 單片機(jī)測(cè)量邊緣振蕩器的振蕩頻率，根據(jù)拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式計(jì)算待測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng) 強(qiáng)度 0B ，由串口調(diào)試助手輸出測(cè)量結(jié)果 [9]。對(duì)于整體設(shè)計(jì)方案，整體設(shè)計(jì)思想進(jìn)行詳細(xì)的描述 。 常用原子核的核磁共振頻率如圖 41 所示，根據(jù)核磁共振理論，旋磁比大的核檢 測(cè)靈敏度高。 表 31 列出了幾種常見(jiàn)原子核的 NMR 相關(guān)參數(shù)的對(duì)比。反饋式振蕩器在放大器電路中引入足夠大的正反饋，不需外加激勵(lì)，由放大器本身的正反饋信號(hào)代替外加激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生振蕩。當(dāng)振蕩頻率 ? 與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 0B 滿足拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式時(shí)， ???? 2 00 B?? （ 31） 發(fā)生核磁共振，振蕩信號(hào)的能量被探頭中的樣品吸收，增加線圈的諧振阻抗，使得樣品線圈的品質(zhì)因數(shù) Q 下降。 圖 31 邊緣振蕩器原理圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 電路的基本思想包括以下幾個(gè)部分 ： （ 1） 振蕩線圈纏繞在石英玻璃 管上，在 LC 振蕩電路中實(shí)現(xiàn)電感的作用。反相串聯(lián)兩個(gè)變?nèi)荻O管能較好的解決非線性問(wèn)題， 抵消振蕩射頻電壓對(duì)變?nèi)荻O管結(jié)電容的影響，有利于保持諧振頻率。 小結(jié) 本章對(duì)于 探頭的結(jié)構(gòu)， 邊緣振蕩器的功能，邊緣振蕩器原理，電路設(shè)計(jì)的基本思想進(jìn)行詳細(xì)的描述。 （ 2） 工作電壓： 。僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏 。 （ 9） 看門(mén)狗 。常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ~。 （ 13） 2 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可有 T0 的一出在 輸出時(shí)鐘，可有 T1 的溢出沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 在 輸出時(shí)鐘。 （ 17） 通用全雙工異步串行口（ UART），由于 STC12 系列是高速的 8051，也可再用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口。 單片機(jī)管腳圖 41 所示 圖 41 STC12C5410AD 管腳圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 STC12C5410AD 部分的電路連接 圖 如圖 42 圖 42 STC12C5410AD 電路連接圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 程序流程圖 43 圖 43 程序流程圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 74LS160 作十分頻電路 電路設(shè)計(jì)原理圖 44 圖 44 74LS160 電路連接圖 基本設(shè)計(jì)思想 P0， P1， P2， P3 接地，此時(shí)初始計(jì)數(shù)為 0000，為使得進(jìn)行 10 分頻最后一個(gè)數(shù)字為 1001，所以 Q1， Q2 接反相器與 Q0， Q3 一起 接入 4 輸入與非門(mén)。 除此之外， CH341 芯片還支持一些常用的同步串 行接口，例如 2 線接口（ SCL線、 SDA 線 ） 和 4 線接口（ CS 線、 SCK/CLK 線、 MISO/SDI/DIN 線、MOSI/SDD/DOUT 線等）。 TXD：串行數(shù)據(jù)輸出 。 UD－：直接連到 USB 總線的 D－數(shù)據(jù)線。 VCC：正電源輸入端，需要外接 電源退耦電容。 TEN接地，在低電平時(shí) 正常工作，使得 串口 得以正常發(fā)送數(shù)據(jù)。 CH341 作為 USB轉(zhuǎn) UART 協(xié)議的一些主要芯片的基本原理，引腳圖，基本設(shè)計(jì)思想，電路設(shè)計(jì)原理圖等。 2．使用一些基本的濾波電路，基本放大電路對(duì)共振信號(hào)進(jìn)行濾波，提取。 6．設(shè)計(jì)總電路原理圖 7．設(shè)計(jì)總電路線路板圖 PCB 8．主控 CPUSTC12C5410AD 的軟件流程圖與匯編程序。 在論文設(shè)計(jì)期間，同寢室的同學(xué)營(yíng)造了很好的學(xué)習(xí)氛圍， 2020 級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的全體同學(xué)給予了我不同程度的關(guān)心和幫助，在此表示衷心的感謝。 MOV ADC_CONTR,A MOV A,2 LCALL DELAY RET /**/ INIT_UART: MOV SCON,5AH MOV TMOD,20H 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 MOV A,5 MOV TH1,A MOV TL1,A SETB TR1 RET /**/ SEND_DATA: JNB TI,$ CLR TI MOV SBUF,A RET /**/ DELAY: MOV R2,A CLR A MOV R0,A MOV R1,A DELAY1: DJNZ R0,DELAY1 DJNZ R1,DELAY1 DJNZ R2,DELAY1 RET END