利用现场可编程门阵列实现直接数字检测技术改进低频电子顺磁共振光谱仪

《Journal of Magnetic Resonance Open》：Improving a Low Frequency EPR Spectrometer using Field-Programmable Gate Array Enabled Direct Digital Detection

本文对比了传统RIT模拟检测与 Zurich Instruments UHFLI结合FPGA直接数字检测（DDD）在LFEPR光谱仪中的性能。结果显示，DDD方案使信号噪声比（SNR）提升2倍，基线漂移降低至1/18，设备体积减少70%，重量减轻50%，且无需外部射频合成器和扫频器，显著提高了便携性和检测灵敏度。

　　电子自旋共振（EPR）技术在科学研究中扮演着重要角色，特别是在检测具有未配对电子的物质方面。随着科技的发展，传统的模拟检测方法正逐渐被数字检测技术所取代，尤其是在高频率下的应用。本文讨论了在低频EPR（LFEPR）系统中，使用现场可编程门阵列（FPGA）技术实现的直接数字检测（DDD）所带来的显著改进。

在过去的几十年里，EPR技术的发展与辅助技术的进步密切相关。例如，二战后，X波段（约9 GHz）的EPR技术直接受益于新出现的微波雷达技术，如波导、速调管源和二极管检测器。如今，随着FPGA和DDD技术的成熟，LFEPR系统正在经历新的变革。这些技术使得信号处理更高效，从而减少了系统中的热漂移、老化和布局问题所引起的噪声。

文章重点比较了两种信号检测方案在LFEPR系统中的表现。第一种方案使用了经典的模拟检测和解调方法，而第二种方案则采用了一种基于Zurich Instruments（ZI）超高频锁相放大器（UHFLI）的数字检测方法。UHFLI放大器通过FPGA实现的直接数字检测技术，不仅提升了信号与噪声比（SNR），还显著降低了基线漂移，并在体积和重量方面实现了大幅度的缩减。

在实验部分，研究人员使用了DPPH（2,2-二苯基-1-苦肼基）标准样品，这是一种在EPR谱中具有单一吸收峰的物质，常用于校准和比较不同系统的性能。实验中采用了两种不同的配置，分别对应于经典的RIT系统和增强型的ZI系统。结果表明，ZI系统的SNR提高了约两倍，基线漂移减少了18倍，体积缩小了70%，重量减轻了50%。这些改进使得ZI系统在实际应用中更加高效和便携。

在经典RIT配置中，信号通过模拟锁相放大器进行解调，而ZI配置则利用FPGA实现了数字解调。这种转变不仅简化了系统的结构，还减少了对传统模拟组件的依赖，如锁相放大器、振荡器和信号发生器。ZI UHFLI放大器的引入，使得系统能够通过内部的锁相环（PLL）技术实现频率锁定，从而减少因温度变化导致的频率漂移问题。

在实验过程中，研究人员注意到，虽然增加时间常数和减慢扫描速度通常被认为可以提高SNR，但在经典RIT配置中，这种做法反而会增加未补偿的基线漂移噪声。相比之下，ZI配置通过数字信号处理技术有效抑制了这些噪声，从而在信号检测方面表现出色。

此外，文章还提到，使用ZI UHFLI配置可以实现更灵活的信号处理，包括软件滤波、相位调整和更复杂的检测方案。这些功能不仅提升了系统的性能，还使其更适合在野外或移动环境中使用。特别是对于文化遗产研究，这种便携性使得研究人员可以在博物馆或文物存放地直接进行检测，避免了将珍贵文物移出受控环境的风险。

本文还讨论了在实际应用中，使用FPGA和DDD技术的成本效益。尽管ZI UHFLI等高端设备的初始成本较高，但考虑到其在信号处理方面的效率和简化系统结构所带来的长期节省，这种投资在许多实验室中是可行的。特别是对于大型实验室而言，他们通常具备设计、测试和编程的能力，可以充分利用这些新技术。而对于小型实验室，虽然可能面临更高的初始投入，但随着技术的普及，这些成本将逐渐降低。

总的来说，FPGA和DDD技术的结合为LFEPR系统带来了革命性的变化。它们不仅提高了信号的检测精度，还简化了系统设计，降低了体积和重量，使设备更加便携。同时，这些技术还改善了信号处理的稳定性，减少了由于热漂移和系统噪声带来的干扰。这些优势使得ZI UHFLI配置在多个方面优于经典RIT配置，尤其是在处理复杂信号和减少基线漂移方面。

未来，随着FPGA和DDD技术的进一步发展，它们有望在更广泛的EPR应用中发挥作用。无论是用于生物医学研究，还是文化遗产分析，这些技术都能提供更高的精度和更灵活的解决方案。此外，它们的便携性和适应性也使得EPR技术能够更广泛地应用于现场研究和实际操作中。通过不断优化和改进，这些数字检测方法将进一步推动EPR技术的发展，使其在科学界发挥更大的作用。