低场磁共振的信号源和功放前级

傅　元，初振东

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳　110870)

0　引言

核磁共振技术在物质内部结构的研究领域、工业在线检测领域、农业及医疗领域有着重要的作用，并且具有检测精度高、检测时间短、无污染以及应用范围广等特点[1]。激励源是核磁共振系统的重要组成部分，其主要作用是产生稳定可靠且功率足够的高频输出，完成对核磁共振探头的激励。现代核磁共振系统所要求的激励源在输出频段内具有较高的频率分辨率、较高的频率稳定度、较高的频谱纯净度、足够的激发功率、可调的闸门时间等特性。

核磁共振系统的激励源通常包括信号源和功率放大电路。利用DDS技术得到的信号源，频率输出范围宽，频率及相位分辨率高，稳定性高，便于调节频率、相位、幅度和波形持续时间等参数[2]。功率放大电路的作用是对DDS的输出信号进行功率放大，经过功率放大电路后的波形具有足够的激发功率，从而完成对核磁共振探头的激发。

1　功率激励源的基本组成

核磁共振系统功率激励源的基本组成框图如图1所示，系统核心控制器选用STC系列高速单片机，可以满足核磁共振系统的信号源控制过程。为了保证信号源的频率分辨率以及频率输出范围，选用DDS技术产生可调的输出频率。DDS芯片选用AD9851，其内部拥有高速比较器，在输出正弦波的同时，可以有同步方波输出。它拥有高效的DDS系统以及高性能的数模转换器，方便用户使用。在DDS的外围电路中，配有低通椭圆滤波器，具有较小的通带波动和陡峭的截止特性，滤掉和DDS时钟频率相关的高频分量，保证输出信号的频谱纯净度。核磁共振系统的激发波形，通常是间歇工作的正弦波。为了保证每组正弦波头波和尾波的完整性，系统设计时间闸门控制电路[3]，控制电路的正弦波输出的持续时间。再经过功率预放大，其输出用来驱动最终的高频功率放大器。功率预放大电路主要采用双管甲类功率放大器的基本模型，可以保证输出波形具有较小的失真度，同时具有较大的功率。

图1　核磁共振系统功率激励源的基本组成框图

2　DDS电路设计

DDS电路设计如图2所示。

图2　输出幅度可调的DDS电路

R_SET引脚的电位为1.2 V．典型应用电路中该引脚连接一个电阻，电阻的另一端接地。DDS的输出电流正比于该电阻中的电流。为了使DDS输出幅度可调，电路配有10位的TLC5615数模转换器，其参考电压由外部基准源LM385-1.2 V提供，其输出取代地连接到上述电阻的另一端。单片机控制TLC5615的输出电压在0～1.2 V范围内可调，即调整上述电阻中流过的电流，进而调整AD9851的IOUT和IOUTB的输出电流，实现输出幅度的可调。

为了保证DDS输出的正弦波具有纯净的频谱特性，在DDS的输出端配有7阶低通椭圆滤波器。系统设计的7阶椭圆器电路如图3所示。滤波器的通带波动小于1 dB，截止频率为70 MHz，该指标满足低场核磁共振系统的信号源要求。

图3　低通椭圆滤波器电路

3　时间闸门控制电路

为了保证DDS输出的每组正弦波的头波和尾波具有良好的完整性，系统设计时间闸门控制电路，如图5所示。

图4　时间闸门控制电路

sin_in是DDS输出的正弦波，AD8021为低噪声高速运算放大器，且拥有使能控制端。74HC74为双D触发器。74_data为单片机输出的控制信号，该控制信号在DDS输出的方波同步下，经过74HC74，控制高速运算放大器AD8021的使能控制端，由于DDS输出的方波与正弦波同步，因此74_data控制信号可以有效地控制完整的正弦波通过AD8021。为了提高AD8021的高频特性，同时防止运放自激，在AD8021的VS-和COMP引脚间跨接6 pF的瓷片电容。由于运算放大器AD8021需要双电源供电，电路中配有电源转换芯片ICL7660，从而获得运算放大器所需的负电源。ICL7660的输出端接有100 μF、0.1 μF的电容和10 Ω的电阻，可减少负电源噪声。sin_out是被同步之后的正弦波输出，该波形作为后级功率预防大电路的输入。

时间闸门电路的理想化波形如图5所示。

图5　时间闸门电路的控制示意图

实测经过时间闸门控制电路输出的信号波形分别如图6、图7和图8所示。其中图7为时间闸门控制下，整体正弦波的输出波形。图8为时间闸门控制下，头波的波形细节图。图9为时间闸门控制下，尾波的波形细节图。由实测波形可以看出，时间闸门电路使正弦波拥有头尾良好的波形。

图6　时间闸门控制正弦波输出

图7　正弦波头波细节图

图8　正弦波尾波细节图

4　功率预放大电路

DDS输出级所用运算放大器的输出电流最大值为60 mA，无法驱动核磁共振激励用的末级功放，因此需要功率预放大电路。功率预放大电路的原理图如图9所示。

电路的基本形式是双管甲类。使用三组传输线变压器，将分布电容、线圈漏感加以利用或限制，使得响应频带得到很大展宽[4]，保证放大器具有良好的功率特性和频带特性。选用镍锌铁氧体磁环和聚四氟乙烯线缆制作传输线变压器。

图9　功率放大电路原理图

在功率放大器的原理图中，L5和L6是一组传输线变压器，其主要作用是完成单端-双端变换。因为前级信号为单端信号，而功率放大器需要互补的输入波形。C4和C5为耦合电容，2SC1971为高频功率三极管，其f=145 MHz，Ic=2 A，Po=7 W，Vceo=17 V．B1和B2分别接至两路积分器的输出，E1和E2是由后续积分器电路得到的0.2 V电压，由于三极管的发射极接有0.5 Ω电阻，则实际每个2SC1971的发射极电流为400 mA，从而保证两个高频功率三极管工作于甲类功放模式。此处电路使用双管甲类功放的优点在于，功放管360°导通，电路的线性度最好，从而保证正弦波无失真地传输[5]。L1、L2及L3、L4分别为两组传输线变压器，此处传输线变压器主要有两方面作用，其一是为高频功率三极管提供工作电源，避免使用电阻而造成功率浪费；其二是进行阻抗变换，保证整个放大器具有较低的输出阻抗[6]。

稳定功率三极管工作点所需的积分电路如图10所示，该积分器由运放LM258以及积分电容和积分电阻构成。LM258的同相输入端由1 kΩ和24 kΩ电阻分压得到0.2 V的电压，即NON-IN的输入电压为0.2 V．当E1和E2的值与NON-IN相等时，即E1和E2同为0.2 V，积分器无输出电流，当E1与E2的值与NON-IN不相等时，积分器有电流输出，从而调节两个功率三极管的基极电流，进而调节功率三极管的静态工作点。双积分器的设计，使得功率放大器的静态工作点可以对抗热漂移而保持稳定。

图10　稳定静态工作点所需的积分电路

实测的功率预放大电路的输出波形如图11所示，由实测波形可以看出，功率预放大电路对信号源输出的波形起到了良好的放大作用。

图11　功率预放大电路输入与输出波形

5　结束语

电路采用DDS技术产生频率和幅度可调的正弦波，同时配有时间闸门电路，保证了正弦波完整性。功率预放大电路的设计使得DDS产生的正弦波有足够的激发功率，从而激发核磁共振的末级功放。电路简单，便于调频和调持续时间，适用于低场核磁共振系统。根据不同核磁共振系统的激发频率和激发强度，该信号源可以适用于地质勘探、物质结构研究、地磁场测量以及工业在线检测等系统中。

参考文献：

[1]肖立志．核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用．北京：科学出版社，1998．

[2]王文理，梁春峰．脉冲核磁共振硬脉冲序列发生器的设计．核电子学与探测技术，2009，29(5)：1175-1178．

[3]高汉宾，张振芳．核磁共振原理与实验方法．武汉：武汉大学出版社，2008．

[4]朱昌平，范新南．宽带阻抗匹配变压器的研究．仪器仪表学报，2003，24(2)：619-620．

[5]方振国，陈得宝，杨一军．基于粒子群算法的甲类功放优化电路设计．计算机仿真，2012，29(5)：247-250．

[6]詹华伟，周运．应用NiZn铁氧体的宽带传输线变压器性能分析．强激光与粒子束，2010，22(2)：443-446．