基于直接數字頻率合成技術的核磁共振弛豫分析儀場頻聯鎖電路設計

張凱威，苗志英，施群雁，陳珊珊，汪紅志△

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海健康醫學院，上海 200093)

1 引 言

隨著原子物理學的進步，人們利用原子核自旋產生的現象衍生出的核磁共振技術被廣泛應用。其中核磁共振這樣的一種物理現象作為分析物質的手段，由于可以深入物質內部而不破壞樣品，并具有迅速、準確、分辨率高等優點而得以迅速發展和應用，已經從物理學滲透到化學、生物、地質、醫療以及材料學等學科，在科研和生產中發揮了巨大的作用。正是由于核磁共振所具備的優勢和巨大的潛力使人們不斷研制開發出新的儀器以滿足不同實驗需求和應用領域。在我國，隨著化學、生物等基礎學科的發展，大分子結構的測量對磁共振弛豫分析儀的需求越來越多。盡管我國已經進口多臺設備，卻遠遠無法滿足科研需求，這種局面顯然已經成為制約基礎科學研究的瓶頸，迫切需要在國家中長期科學和技術規則綱要指引下研制出有自己獨立知識產權的核磁共振弛豫分析儀。

磁共振弛豫分析儀是一種可以在食品分析、石油化工、無損檢測、疾病預防等方面廣泛應用的設備。一個具有穩定、高分辨特性的鎖場射頻信號是高性能核磁共振弛豫分析儀的核心，當弛豫分析儀鎖定靜磁場后，不斷檢測磁場并獲得磁場漂移誤差，然后根據誤差對靜磁場進行調整達到穩定磁場的目的。

本研究選擇了氘核的NMR信號作為鎖場的標準信號。以相應頻率的射頻場連續激發鎖信號，當磁場強度恰好滿足共振條件時，其色散信號幅度為0值[6-7]。磁場強度一旦偏離共振值，色散信號就會呈現與偏離值相對應的正值或負值，經放大后以適當大小和方向的電流送入勵磁線圈(電磁鐵)或場偏置線圈(永久磁鐵或超導磁體)形成負反饋，從而使磁場強度的偏離得到補償，保證ω=γ×B0，這一共振條件。反之，若磁場強度穩定而射頻場頻率偶爾變化也可迫使磁場變化以保持共振條件，即場強和頻率互相制約一場頻聯鎖。由于NMR譜線很窄，對磁場或頻率的微小變化十分敏感，因此，場頻聯鎖對長期穩定性的改善非常有效。實際上，現在的電子技術不難使頻率的穩定度達到10-9或更高，所以，場頻聯鎖主要是利用頻率的穩定度來提高磁場強度的穩定度。

本研究針對這些要求，將現場可編程邏輯門陣列(field-programmable gate array ，FPGA)[2-4]、直接數字頻率合成技術(direct digital synthesizer，DDS)及中頻數字化技術等應用于核磁共振譜儀鎖場系統的收發電路中，并進行了相關研究。

2 總體設計方案

在長時間實驗中將造成譜線相對位置的移動，使譜線加寬甚至出現多重峰。場頻聯鎖作為重要的磁場長期穩定技術，利用氘核的NMR信號作為監控信號，當磁場產生漂移時，檢測到氘核的共振頻率也發生改變，場頻聯鎖系統就產生補償信號去校準磁場，迫使磁場強度跟蹤高穩定度的射頻頻率源，保證共振條件的長期穩定[4-5]。場頻聯鎖系統是一套完整的NMR觀測系統，由于只采用單根譜線作監控，所以比觀測通道簡單。

FPGA 具有高速數據處理能力，DDS 技術可以高效、穩定、精確、方便控制頻率，本研究采用Altera 公司的NCO 技術實現FPGA 中DDS 配置，特點為精確穩定，參數可個性化配置，頻率范圍、穩定度等均能達到較高要求。由于DDS最大峰峰值輸出只有5 V，無法滿足最終的目標要求，故采用TI公司的THS3091電流型反饋運放進行功率放大去激勵氘核，由TR開關控制發射與接收單元的切換，最后在接收單元，采用AD797進行低噪聲前置放大的處理。

3 單元電路設計

3.1 發射單元電路設計

根據總體方案中的要求，進行理論計算。第一，要求輸出功率在50 Ω負載上為24.4 dBm(接近280 mW)，那么輸出峰值就為5.477 V，輸出電流峰值為110 mA(不算上反饋環路電流)，一般的運放沒有如此大的電流輸出能力，我們準備選擇電流型運算放大器。第二，3.268 MHz信號所需要運算放器SR=2 πfv×3.268×5.477=112 V/μs，所有需要選擇SR大于112的運放，并留有一定裕量。第三，放大倍數為5.477/5=1.0954，那么，所需GBW=1.0954×3.268 MHz=3.58 MHz，設計時，應當留有20 dB裕量，要保證反饋放大器穩定工作，所以選擇GBW在40 MHz以上的運放。

TI公司的THS3091能夠滿足以上所述要求，它是一款高電壓，低失真，電流反饋放大器。轉換速率為7300 V/μs，增益帶寬積為420 MHz ，輸出電流高達± 250 mA 。低噪聲:正向電流噪聲為14pA/Hz，反向電流噪聲為17 pA/Hz，電壓噪聲為2 nV/Hz。

發射單元電路包含固定增益放大和功率放大模塊。本研究用單片THS3091 搭建同相增益放大和功率放大模塊。設置增益為8倍，本研究選取反饋電阻RF 為1 K反相端輸入電阻RG 為125 Ω。為了防止電流反饋運算放大器THS3091 的自激，本研究在THS3091 的輸入端加上50 Ω的限流電阻。該模塊可同時對信號幅度和功率進行放大，并且驅動后級的50 Ω線圈負載，激勵微型氘核探頭(見圖1)。

圖1 發射單元外圍電路

3.2 射頻開關設計

HMC349MS8G芯片是本次電路選擇的射頻開關芯片，該芯片在頻率為DC～4G Hz范圍內有非常良好的射頻隔離度，在開關關斷的情況下可以達到70 dB的衰減，開關的響應速度為20 MHz，即在射頻關斷的0.05 μs內信號衰減70 dB，所以關斷后的余留信號產生的延時震蕩影響可以忽略。

在整個系統設計中，我們使用了兩組射頻開關，分別放置在發射單元功放電路的前面與接收單元前置放大電路的前面，目的是為了通過FPGA編程，精確控制脈沖發射的時間，在通過高隔離度的射頻開關不讓多余的微弱信號影響后級功放模塊，從而引起噪聲干擾。更精確的控制射頻信號的發射與接收(見圖2)。

具體工作模式為，在Vctl引腳處于高電平狀態下，當EN使能端為低電平時，信號從RFC端輸入，從RF1端輸出；當EN引腳輸入高電平時，射頻開關處于關閉狀態，信號無法正常傳輸(見表1)。

圖2 射頻開關外圍電路

3.3 接收單元電路設計

表1 射頻開關高低電平設置參數

同時差分放大電路從音頻到磁共振成像有許多應用[8-9]，它能從存在的共同模式信號中提取低頻信號。AD797提供了這種只有9 nV/Hz的噪聲輸出功能，同時顯示了其20 位THD 性能，超過音頻頻段和到250 KHz的16 位精度。AD797 由于其單級設計，其噪聲均勻的覆蓋了從小于10 Hz 到超過10 MHz 頻率帶(見圖3)。

4 測試結果

由FPGA控制DDS輸出5 Vpp，頻率3.268 MHz的信號，當場頻聯鎖系統控制TR開關切換到發射狀態時，示波器最大輸出能達到22 Vpp(見圖4)，與理論計算的放大倍數相符合，同時鎖收發機在TR開關控制下發射射頻脈沖(中心頻率為氘核的共振頻率)，激發探頭內的氘核產生共振，它是一個單調衰減的曲線，通過ω=γ×β0，射頻與拉莫爾兩相等時，達到完美共振狀態(見圖5)。當TR開關切換到接收狀態時，鎖前放將接收的共振信號FID(自由感應衰減信號)低噪聲放大，磁共振信號一般為μW級，通過AD797前置放大能達到330 mW(見圖6)，這能更加便于之后AD/DA模塊的處理。通過實驗，測試結果達到設計總體方案的要求。

圖3 接收單元外圍電路

圖4 功放THS3091輸出最大幅值

圖5 AD797輸出幅值

圖6 激勵氘核的磁共振信號

5 結束語

從實驗結果來看，基于DDS產生的鎖場信號的性能已經達到要求。采用DDS技術使鎖場信號的產生、調制和解調、輸出磁場漂移誤差等工作，使鎖場控制單元的結構變得更為簡單。而且由于采用FPGA和DDS技術，因此，能夠在滿足穩定度和精確度的條件下輸出頻率可控的信號。并且對鎖通道信號發射、信號接收和誤差輸出電路進行具體實現方案，根據場頻聯鎖的特點選取合適的芯片，再根據芯片的特點設計其外圍電路，重點介紹了發射電路的核心芯片和接收機核心芯片，對其原理、功能特點及應用要點作了較深入的研究，在收發單元的硬件電路已經設計完畢后，分別通過對發射單元與接收單元模塊化調試。所以，整套方案對將來研制高性能NMR弛豫分析儀有重要參考意義。