低場(chǎng)磁共振的信號(hào)源和功放前級(jí)

傅　元，初振東

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)　110870)

0　引言

核磁共振技術(shù)在物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域、工業(yè)在線檢測(cè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域有著重要的作用，并且具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)時(shí)間短、無(wú)污染以及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[1]。激勵(lì)源是核磁共振系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是產(chǎn)生穩(wěn)定可靠且功率足夠的高頻輸出，完成對(duì)核磁共振探頭的激勵(lì)?，F(xiàn)代核磁共振系統(tǒng)所要求的激勵(lì)源在輸出頻段內(nèi)具有較高的頻率分辨率、較高的頻率穩(wěn)定度、較高的頻譜純凈度、足夠的激發(fā)功率、可調(diào)的閘門(mén)時(shí)間等特性。

核磁共振系統(tǒng)的激勵(lì)源通常包括信號(hào)源和功率放大電路。利用DDS技術(shù)得到的信號(hào)源，頻率輸出范圍寬，頻率及相位分辨率高，穩(wěn)定性高，便于調(diào)節(jié)頻率、相位、幅度和波形持續(xù)時(shí)間等參數(shù)[2]。功率放大電路的作用是對(duì)DDS的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，經(jīng)過(guò)功率放大電路后的波形具有足夠的激發(fā)功率，從而完成對(duì)核磁共振探頭的激發(fā)。

1　功率激勵(lì)源的基本組成

核磁共振系統(tǒng)功率激勵(lì)源的基本組成框圖如圖1所示，系統(tǒng)核心控制器選用STC系列高速單片機(jī)，可以滿(mǎn)足核磁共振系統(tǒng)的信號(hào)源控制過(guò)程。為了保證信號(hào)源的頻率分辨率以及頻率輸出范圍，選用DDS技術(shù)產(chǎn)生可調(diào)的輸出頻率。DDS芯片選用AD9851，其內(nèi)部擁有高速比較器，在輸出正弦波的同時(shí)，可以有同步方波輸出。它擁有高效的DDS系統(tǒng)以及高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，方便用戶(hù)使用。在DDS的外圍電路中，配有低通橢圓濾波器，具有較小的通帶波動(dòng)和陡峭的截止特性，濾掉和DDS時(shí)鐘頻率相關(guān)的高頻分量，保證輸出信號(hào)的頻譜純凈度。核磁共振系統(tǒng)的激發(fā)波形，通常是間歇工作的正弦波。為了保證每組正弦波頭波和尾波的完整性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間閘門(mén)控制電路[3]，控制電路的正弦波輸出的持續(xù)時(shí)間。再經(jīng)過(guò)功率預(yù)放大，其輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)最終的高頻功率放大器。功率預(yù)放大電路主要采用雙管甲類(lèi)功率放大器的基本模型，可以保證輸出波形具有較小的失真度，同時(shí)具有較大的功率。

圖1　核磁共振系統(tǒng)功率激勵(lì)源的基本組成框圖

2　DDS電路設(shè)計(jì)

DDS電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　輸出幅度可調(diào)的DDS電路

R_SET引腳的電位為1.2 V．典型應(yīng)用電路中該引腳連接一個(gè)電阻，電阻的另一端接地。DDS的輸出電流正比于該電阻中的電流。為了使DDS輸出幅度可調(diào)，電路配有10位的TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其參考電壓由外部基準(zhǔn)源LM385-1.2 V提供，其輸出取代地連接到上述電阻的另一端。單片機(jī)控制TLC5615的輸出電壓在0～1.2 V范圍內(nèi)可調(diào)，即調(diào)整上述電阻中流過(guò)的電流，進(jìn)而調(diào)整AD9851的IOUT和IOUTB的輸出電流，實(shí)現(xiàn)輸出幅度的可調(diào)。

為了保證DDS輸出的正弦波具有純凈的頻譜特性，在DDS的輸出端配有7階低通橢圓濾波器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的7階橢圓器電路如圖3所示。濾波器的通帶波動(dòng)小于1 dB，截止頻率為70 MHz，該指標(biāo)滿(mǎn)足低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)的信號(hào)源要求。

圖3　低通橢圓濾波器電路

3　時(shí)間閘門(mén)控制電路

為了保證DDS輸出的每組正弦波的頭波和尾波具有良好的完整性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間閘門(mén)控制電路，如圖5所示。

圖4　時(shí)間閘門(mén)控制電路

sin_in是DDS輸出的正弦波，AD8021為低噪聲高速運(yùn)算放大器，且擁有使能控制端。74HC74為雙D觸發(fā)器。74_data為單片機(jī)輸出的控制信號(hào)，該控制信號(hào)在DDS輸出的方波同步下，經(jīng)過(guò)74HC74，控制高速運(yùn)算放大器AD8021的使能控制端，由于DDS輸出的方波與正弦波同步，因此74_data控制信號(hào)可以有效地控制完整的正弦波通過(guò)AD8021。為了提高AD8021的高頻特性，同時(shí)防止運(yùn)放自激，在AD8021的VS-和COMP引腳間跨接6 pF的瓷片電容。由于運(yùn)算放大器AD8021需要雙電源供電，電路中配有電源轉(zhuǎn)換芯片ICL7660，從而獲得運(yùn)算放大器所需的負(fù)電源。ICL7660的輸出端接有100 μF、0.1 μF的電容和10 Ω的電阻，可減少負(fù)電源噪聲。sin_out是被同步之后的正弦波輸出，該波形作為后級(jí)功率預(yù)防大電路的輸入。

時(shí)間閘門(mén)電路的理想化波形如圖5所示。

圖5　時(shí)間閘門(mén)電路的控制示意圖

實(shí)測(cè)經(jīng)過(guò)時(shí)間閘門(mén)控制電路輸出的信號(hào)波形分別如圖6、圖7和圖8所示。其中圖7為時(shí)間閘門(mén)控制下，整體正弦波的輸出波形。圖8為時(shí)間閘門(mén)控制下，頭波的波形細(xì)節(jié)圖。圖9為時(shí)間閘門(mén)控制下，尾波的波形細(xì)節(jié)圖。由實(shí)測(cè)波形可以看出，時(shí)間閘門(mén)電路使正弦波擁有頭尾良好的波形。

圖6　時(shí)間閘門(mén)控制正弦波輸出

圖7　正弦波頭波細(xì)節(jié)圖

圖8　正弦波尾波細(xì)節(jié)圖

4　功率預(yù)放大電路

DDS輸出級(jí)所用運(yùn)算放大器的輸出電流最大值為60 mA，無(wú)法驅(qū)動(dòng)核磁共振激勵(lì)用的末級(jí)功放，因此需要功率預(yù)放大電路。功率預(yù)放大電路的原理圖如圖9所示。

電路的基本形式是雙管甲類(lèi)。使用三組傳輸線變壓器，將分布電容、線圈漏感加以利用或限制，使得響應(yīng)頻帶得到很大展寬[4]，保證放大器具有良好的功率特性和頻帶特性。選用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)和聚四氟乙烯線纜制作傳輸線變壓器。

圖9　功率放大電路原理圖

在功率放大器的原理圖中，L5和L6是一組傳輸線變壓器，其主要作用是完成單端-雙端變換。因?yàn)榍凹?jí)信號(hào)為單端信號(hào)，而功率放大器需要互補(bǔ)的輸入波形。C4和C5為耦合電容，2SC1971為高頻功率三極管，其f=145 MHz，Ic=2 A，Po=7 W，Vceo=17 V．B1和B2分別接至兩路積分器的輸出，E1和E2是由后續(xù)積分器電路得到的0.2 V電壓，由于三極管的發(fā)射極接有0.5 Ω電阻，則實(shí)際每個(gè)2SC1971的發(fā)射極電流為400 mA，從而保證兩個(gè)高頻功率三極管工作于甲類(lèi)功放模式。此處電路使用雙管甲類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)在于，功放管360°導(dǎo)通，電路的線性度最好，從而保證正弦波無(wú)失真地傳輸[5]。L1、L2及L3、L4分別為兩組傳輸線變壓器，此處傳輸線變壓器主要有兩方面作用，其一是為高頻功率三極管提供工作電源，避免使用電阻而造成功率浪費(fèi)；其二是進(jìn)行阻抗變換，保證整個(gè)放大器具有較低的輸出阻抗[6]。

穩(wěn)定功率三極管工作點(diǎn)所需的積分電路如圖10所示，該積分器由運(yùn)放LM258以及積分電容和積分電阻構(gòu)成。LM258的同相輸入端由1 kΩ和24 kΩ電阻分壓得到0.2 V的電壓，即NON-IN的輸入電壓為0.2 V．當(dāng)E1和E2的值與NON-IN相等時(shí)，即E1和E2同為0.2 V，積分器無(wú)輸出電流，當(dāng)E1與E2的值與NON-IN不相等時(shí)，積分器有電流輸出，從而調(diào)節(jié)兩個(gè)功率三極管的基極電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)功率三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。雙積分器的設(shè)計(jì)，使得功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可以對(duì)抗熱漂移而保持穩(wěn)定。

圖10　穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)所需的積分電路

實(shí)測(cè)的功率預(yù)放大電路的輸出波形如圖11所示，由實(shí)測(cè)波形可以看出，功率預(yù)放大電路對(duì)信號(hào)源輸出的波形起到了良好的放大作用。

圖11　功率預(yù)放大電路輸入與輸出波形

5　結(jié)束語(yǔ)

電路采用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的正弦波，同時(shí)配有時(shí)間閘門(mén)電路，保證了正弦波完整性。功率預(yù)放大電路的設(shè)計(jì)使得DDS產(chǎn)生的正弦波有足夠的激發(fā)功率，從而激發(fā)核磁共振的末級(jí)功放。電路簡(jiǎn)單，便于調(diào)頻和調(diào)持續(xù)時(shí)間，適用于低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)。根據(jù)不同核磁共振系統(tǒng)的激發(fā)頻率和激發(fā)強(qiáng)度，該信號(hào)源可以適用于地質(zhì)勘探、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究、地磁場(chǎng)測(cè)量以及工業(yè)在線檢測(cè)等系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖立志．核磁共振成像測(cè)井與巖石核磁共振及其應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，1998．

[2]王文理，梁春峰．脈沖核磁共振硬脈沖序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)．核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29(5)：1175-1178．

[3]高漢賓，張振芳．核磁共振原理與實(shí)驗(yàn)方法．武漢：武漢大學(xué)出版社，2008．

[4]朱昌平，范新南．寬帶阻抗匹配變壓器的研究．儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(2)：619-620．

[5]方振國(guó)，陳得寶，楊一軍．基于粒子群算法的甲類(lèi)功放優(yōu)化電路設(shè)計(jì)．計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(5)：247-250．

[6]詹華偉，周運(yùn)．應(yīng)用NiZn鐵氧體的寬帶傳輸線變壓器性能分析．強(qiáng)激光與粒子束，2010，22(2)：443-446．