傅　元，初振東

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽　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，并且具有檢測精度高、檢測時間短、無污染以及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[1]。激勵源是核磁共振系統(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，完成對核磁共振探頭的激勵。現(xiàn)代核磁共振系統(tǒng)所要求的激勵源在輸出頻段內(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)的閘門時間等特性。

核磁共振系統(tǒng)的激勵源通常包括信號源和功率放大電路。利用DDS技術(shù)得到的信號源，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)時間等參數(shù)[2]。功率放大電路的作用是對DDS的輸出信號進(jìn)行功率放大，經(jīng)過功率放大電路后的波形具有足夠的激發(fā)功率，從而完成對核磁共振探頭的激發(fā)。

1　功率激勵源的基本組成

核磁共振系統(tǒng)功率激勵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)，可以滿足核磁共振系統(tǒng)的信號源控制過程。為了保證信號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，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和陡峭的截止特性，濾掉和DDS時鐘頻率相關(guān)的高頻分量，保證輸出信號的頻譜純凈度。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)計時間閘門控制電路[3]，控制電路的正弦波輸出的持續(xù)時間。再經(jīng)過功率預(yù)放大，其輸出用來驅(qū)動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，同時具有較大的功率。

圖1　核磁共振系統(tǒng)功率激勵源的基本組成框圖

2　DDS電路設(shè)計

DDS電路設(shè)計如圖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)計的7階橢圓器電路如圖3所示。濾波器的通帶波動小于1 dB，截止頻率為70 MHz，該指標(biāo)滿足低場核磁共振系統(tǒng)的信號源要求。

圖3　低通橢圓濾波器電路

3　時間閘門控制電路

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)計時間閘門控制電路，如圖5所示。

圖4　時間閘門控制電路

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，該控制信號在DDS輸出的方波同步下，經(jīng)過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控制信號可以有效地控制完整的正弦波通過AD8021。為了提高AD8021的高頻特性，同時防止運(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，該波形作為后級功率預(yù)防大電路的輸入。

時間閘門電路的理想化波形如圖5所示。

圖5　時間閘門電路的控制示意圖

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

圖6　時間閘門控制正弦波輸出

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輸出級所用運(yùn)算放大器的輸出電流最大值為60 mA，無法驅(qū)動核磁共振激勵用的末級功放，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。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)榍凹壭盘枮閱味诵盘?，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2SC1971的發(fā)射極電流為400 mA，從而保證兩個高頻功率三極管工作于甲類功放模式。此處電路使用雙管甲類功放的優(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，即E1和E2同為0.2 V，積分器無輸出電流，當(dāng)E1與E2的值與NON-IN不相等時，積分器有電流輸出，從而調(diào)節(jié)兩個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，使得功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可以對抗熱漂移而保持穩(wěn)定。

圖10　穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)所需的積分電路

實(shí)測的功率預(yù)放大電路的輸出波形如圖11所示，由實(shí)測波形可以看出，功率預(yù)放大電路對信號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

電路采用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的正弦波，同時配有時間閘門電路，保證了正弦波完整性。功率預(yù)放大電路的設(shè)計使得DDS產(chǎn)生的正弦波有足夠的激發(fā)功率，從而激發(fā)核磁共振的末級功放。電路簡單，便于調(diào)頻和調(diào)持續(xù)時間，適用于低場核磁共振系統(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，該信號源可以適用于地質(zhì)勘探、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究、地磁場測量以及工業(yè)在線檢測等系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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