一種核磁共振勻場線圈的恒流源設計

黃月明

摘 要工業在線核磁共振譜儀用于測試圖譜，進行分子結構的分析，在化工行業是較為先進的儀器儀表，同時也是提高產值節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定、可控電流的恒流源設計。

【關鍵詞】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，單片機為控制核心的可調節、穩定的恒流源設計。具有抗干擾能力強、精度高、電流穩定、控制方便等特點。經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轉換器AD5360輸出16路可調電壓作為恒流源基準，根據運放兩端輸入電流為0以及輸入電壓相等的特性構成穩定輸出的恒流源。為勻場線圈提供可控制的穩定的電流。

3 系統硬件以及相關電路設計

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）。

（3）高電源抑制比：3uV/V（最大值）。

（4）低功耗：60mW（最大值）。

運放OP77構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芯片輸出可調電壓，所以電流I的值只與DA輸出電壓和R1、R2的值有關而與負載無關。所以只要確定R1、R2的值輸出就是一個只與DA輸出有關的恒定值。在本設計中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數模轉換器是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）數字復位。

（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）通道監控多路復用器。

本設計中DA輸出電壓范圍為-4V-4V，所以恒流源輸出范圍為-100mA-100mA據14位DA計算可得DA數在0時輸出輸出電流為-100mA，DA數為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，線性電源穩壓器采用可調、低壓差穩壓模塊LT1083，濾波電路采用π型濾波器。最大流通電流7.5A，穩壓塊壓降1.3V。電源220V交流供電，電源穩定度以及紋波等相關參數滿足使用要求可以作為本設計的電源使用。

3.4 系統工作過程

勻場恒流源工作原理如下所示：

上位機通過232串口將DA數寫入單片機，由單片機串行寫入AD5360根據DA值AD5360輸出電壓改變，DA芯片輸出的電壓較為穩定，輸出兩端分別接恒流源的兩端輸入進而輸出穩定電流，電流大小由上位機控制，輸出電流連接勻場線圈產生不同大小、方向的磁場來影響目標磁場達到勻場的目的。

4 系統軟件設計

本設計中軟件部分主要包括單片機初始化程序、單片機控制AD5360進行DA轉換程序、232串口通訊程序等模塊。

5 實驗數據及應用實例

該設計在實驗室進行了測試，運用萬用表以及示波器測試相關參數，分別采用5歐姆與10歐姆負載進行試驗，試驗數據與理論相同，輸出電流變化在0.05mA以里，負載不同時輸出相差無機與理論相同。萬用表型號： KEYSIGHT 34461A。 示波器型號： KEYSIGHT DSO9064A。

根據以上數據該設計在輸出-100mA-100mA電流時輸出較為穩定，負載的變化對電流影響很微弱，該影響斷定為負載發熱引起的，在有源勻場線圈供電時可以忽略，所以本設計可以作為核磁共振有源勻場線圈的恒流源使用。

6 結論

本文從設計的整體設計、硬件結構、軟件設計與實際使用等方面介紹了電路的工作原理，該設計輸出電流穩定輸出可控制，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

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作者單位

丹東東方測控技術股份有限公司 遼寧省丹東市 118002