一種核磁共振勻場線圈的恒流源設(shè)計

黃月明

摘 要工業(yè)在線核磁共振譜儀用于測試圖譜，進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的分析，在化工行業(yè)是較為先進(jìn)的儀器儀表，同時也是提高產(chǎn)值節(jié)省勞動力必不可少的儀器。核磁共振勻場單元是核磁共振很重要的一個部分，本文將介紹一種為有源勻場線圈提供穩(wěn)定、可控電流的恒流源設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】核磁共振 有源勻場 恒流源

1 引言

本文提出一種以運放以及三極管為主要部件，單片機(jī)為控制核心的可調(diào)節(jié)、穩(wěn)定的恒流源設(shè)計。具有抗干擾能力強、精度高、電流穩(wěn)定、控制方便等特點。經(jīng)過試驗可以作為核磁共振有源勻場線圈的恒流源使用。

2 總體方案設(shè)計及原理

核磁共振勻場線圈恒流源以微控制器C8051F021為控制核心，DA轉(zhuǎn)換器AD5360輸出16路可調(diào)電壓作為恒流源基準(zhǔn)，根據(jù)運放兩端輸入電流為0以及輸入電壓相等的特性構(gòu)成穩(wěn)定輸出的恒流源。為勻場線圈提供可控制的穩(wěn)定的電流。

3 系統(tǒng)硬件以及相關(guān)電路設(shè)計

3.1 運算放大器OP77

采用AD公司精密高速運算放大器OP77，OP77特點如下：

（1）超高增益：5000V/mV（最小值）。

（2）低VOS：55uV（最大值整個溫度范圍內(nèi)）。

（3）高電源抑制比：3uV/V（最大值）。

（4）低功耗：60mW（最大值）。

運放OP77構(gòu)成恒流源電路圖與原理如圖1。

R1=R3，R2=R4，R6為采樣電阻大小為2歐姆，運放OP77與三極管同電源供電。根據(jù)運放特性，運放同向端反向端電壓相等以及輸入電流為0可以得出方程式：

{（Vin-）-[R4*（Vin+）/（R3+R4）]}/R1={[R4*（Vin+）/（R3+R4）]-IR}/R2 （1）

將R1=R3，R2=R4，R6=2帶入方程（1）化簡后可得：

I=R2*[（Vin+）-（Vin-）]/（2*R1）。

式中（Vin+）-（Vin-）為DA芯片輸出可調(diào)電壓，所以電流I的值只與DA輸出電壓和R1、R2的值有關(guān)而與負(fù)載無關(guān)。所以只要確定R1、R2的值輸出就是一個只與DA輸出有關(guān)的恒定值。在本設(shè)計中R1取10K電阻R2取500歐姆電阻。

3.2 恒流源微控制器C8051F021與DA芯片

本設(shè)計采用新華龍公司微控制器C8051F021芯片為電壓控制核心，AD5360輸出16路電壓為恒流源提供輸入電壓。

AD5360數(shù)模轉(zhuǎn)換器是16通道，14bit，串行輸入電壓輸出型DAC，可提供4倍于基準(zhǔn)電壓的緩沖電壓輸出范圍。

AD5360特點如下：

（1）額定輸出電壓范圍：-10V-10V。

（2）可提供多種輸出范圍。

（3）數(shù)字復(fù)位。

（4）16路DAC輸出電壓可同步更新。

（5）通道可分組和可尋址特性。

（6）通道監(jiān)控多路復(fù)用器。

本設(shè)計中DA輸出電壓范圍為-4V-4V，所以恒流源輸出范圍為-100mA-100mA據(jù)14位DA計算可得DA數(shù)在0時輸出輸出電流為-100mA，DA數(shù)為16383時輸出電流值為100mA，一個DA值的變化引起電流電流變化約為0.0122mA。

3.3 恒流源供電電源

采用線性電源供電，線性電源穩(wěn)壓器采用可調(diào)、低壓差穩(wěn)壓模塊LT1083，濾波電路采用π型濾波器。最大流通電流7.5A，穩(wěn)壓塊壓降1.3V。電源220V交流供電，電源穩(wěn)定度以及紋波等相關(guān)參數(shù)滿足使用要求可以作為本設(shè)計的電源使用。

3.4 系統(tǒng)工作過程

勻場恒流源工作原理如下所示：

上位機(jī)通過232串口將DA數(shù)寫入單片機(jī)，由單片機(jī)串行寫入AD5360根據(jù)DA值A(chǔ)D5360輸出電壓改變，DA芯片輸出的電壓較為穩(wěn)定，輸出兩端分別接恒流源的兩端輸入進(jìn)而輸出穩(wěn)定電流，電流大小由上位機(jī)控制，輸出電流連接勻場線圈產(chǎn)生不同大小、方向的磁場來影響目標(biāo)磁場達(dá)到勻場的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計中軟件部分主要包括單片機(jī)初始化程序、單片機(jī)控制AD5360進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換程序、232串口通訊程序等模塊。

5 實驗數(shù)據(jù)及應(yīng)用實例

該設(shè)計在實驗室進(jìn)行了測試，運用萬用表以及示波器測試相關(guān)參數(shù)，分別采用5歐姆與10歐姆負(fù)載進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)與理論相同，輸出電流變化在0.05mA以里，負(fù)載不同時輸出相差無機(jī)與理論相同。萬用表型號： KEYSIGHT 34461A。 示波器型號： KEYSIGHT DSO9064A。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)該設(shè)計在輸出-100mA-100mA電流時輸出較為穩(wěn)定，負(fù)載的變化對電流影響很微弱，該影響斷定為負(fù)載發(fā)熱引起的，在有源勻場線圈供電時可以忽略，所以本設(shè)計可以作為核磁共振有源勻場線圈的恒流源使用。

6 結(jié)論

本文從設(shè)計的整體設(shè)計、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計與實際使用等方面介紹了電路的工作原理，該設(shè)計輸出電流穩(wěn)定輸出可控制，能夠配套有源勻場線圈為永磁體提供較為穩(wěn)定的電磁場，可以作為永磁體勻場線圈的恒流源使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王乃興.核磁共振譜學(xué)：在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]張義和，王敏男，許宏昌，余春長.例說51單片機(jī)[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[3]杜樹春.集成運算放大器應(yīng)用經(jīng)典實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

作者單位

丹東東方測控技術(shù)股份有限公司 遼寧省丹東市 118002