基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的核磁共振弛豫分析儀場頻聯(lián)鎖電路設(shè)計(jì)

張凱威，苗志英，施群雁，陳珊珊，汪紅志△

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

隨著原子物理學(xué)的進(jìn)步，人們利用原子核自旋產(chǎn)生的現(xiàn)象衍生出的核磁共振技術(shù)被廣泛應(yīng)用。其中核磁共振這樣的一種物理現(xiàn)象作為分析物質(zhì)的手段，由于可以深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)而得以迅速發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料學(xué)等學(xué)科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。正是由于核磁共振所具備的優(yōu)勢和巨大的潛力使人們不斷研制開發(fā)出新的儀器以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求和應(yīng)用領(lǐng)域。在我國，隨著化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，大分子結(jié)構(gòu)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(jīng)進(jìn)口多臺設(shè)備，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足科研需求，這種局面顯然已經(jīng)成為制約基礎(chǔ)科學(xué)研究的瓶頸，迫切需要在國家中長期科學(xué)和技術(shù)規(guī)則綱要指引下研制出有自己獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)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(yù)防等方面廣泛應(yīng)用的設(shè)備。一個(gè)具有穩(wěn)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(dāng)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(jù)誤差對靜磁場進(jìn)行調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定磁場的目的。

本研究選擇了氘核的NMR信號作為鎖場的標(biāo)準(zhǔn)信號。以相應(yīng)頻率的射頻場連續(xù)激發(fā)鎖信號，當(dāng)磁場強(qiáng)度恰好滿足共振條件時(shí)，其色散信號幅度為0值[6-7]。磁場強(qiáng)度一旦偏離共振值，色散信號就會呈現(xiàn)與偏離值相對應(yīng)的正值或負(fù)值，經(jīng)放大后以適當(dāng)大小和方向的電流送入勵(lì)磁線圈(電磁鐵)或場偏置線圈(永久磁鐵或超導(dǎo)磁體)形成負(fù)反饋，從而使磁場強(qiáng)度的偏離得到補(bǔ)償，保證ω=γ×B0，這一共振條件。反之，若磁場強(qiáng)度穩(wěn)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(qiáng)和頻率互相制約一場頻聯(lián)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(lián)鎖對長期穩(wěn)定性的改善非常有效。實(shí)際上，現(xiàn)在的電子技術(shù)不難使頻率的穩(wěn)定度達(dá)到10-9或更高，所以，場頻聯(lián)鎖主要是利用頻率的穩(wěn)定度來提高磁場強(qiáng)度的穩(wěn)定度。

本研究針對這些要求，將現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field-programmable gate array ，F(xiàn)PGA)[2-4]、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(direct digital synthesizer，DDS)及中頻數(shù)字化技術(shù)等應(yīng)用于核磁共振譜儀鎖場系統(tǒng)的收發(fā)電路中，并進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 總體設(shè)計(jì)方案

在長時(shí)間實(shí)驗(yàn)中將造成譜線相對位置的移動(dòng)，使譜線加寬甚至出現(xiàn)多重峰。場頻聯(lián)鎖作為重要的磁場長期穩(wěn)定技術(shù)，利用氘核的NMR信號作為監(jiān)控信號，當(dāng)磁場產(chǎn)生漂移時(shí)，檢測到氘核的共振頻率也發(fā)生改變，場頻聯(lián)鎖系統(tǒng)就產(chǎn)生補(bǔ)償信號去校準(zhǔn)磁場，迫使磁場強(qiáng)度跟蹤高穩(wěn)定度的射頻頻率源，保證共振條件的長期穩(wěn)定[4-5]。場頻聯(lián)鎖系統(tǒng)是一套完整的NMR觀測系統(tǒng)，由于只采用單根譜線作監(jiān)控，所以比觀測通道簡單。

FPGA 具有高速數(shù)據(jù)處理能力，DDS 技術(shù)可以高效、穩(wěn)定、精確、方便控制頻率，本研究采用Altera 公司的NCO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)FPGA 中DDS 配置，特點(diǎn)為精確穩(wěn)定，參數(shù)可個(gè)性化配置，頻率范圍、穩(wěn)定度等均能達(dá)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(biāo)要求，故采用TI公司的THS3091電流型反饋運(yùn)放進(jìn)行功率放大去激勵(lì)氘核，由TR開關(guān)控制發(fā)射與接收單元的切換，最后在接收單元，采用AD797進(jìn)行低噪聲前置放大的處理。

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射單元電路設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案中的要求，進(jìn)行理論計(jì)算。第一，要求輸出功率在50 Ω負(fù)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(huán)路電流)，一般的運(yùn)放沒有如此大的電流輸出能力，我們準(zhǔn)備選擇電流型運(yùn)算放大器。第二，3.268 MHz信號所需要運(yùn)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(yùn)放，并留有一定裕量。第三，放大倍數(shù)為5.477/5=1.0954，那么，所需GBW=1.0954×3.268 MHz=3.58 MHz，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有20 dB裕量，要保證反饋放大器穩(wěn)定工作，所以選擇GBW在40 MHz以上的運(yùn)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(zhuǎn)換速率為7300 V/μs，增益帶寬積為420 MHz ，輸出電流高達(dá)± 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(fā)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(shè)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(yùn)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(shí)對信號幅度和功率進(jìn)行放大，并且驅(qū)動(dòng)后級的50 Ω線圈負(fù)載，激勵(lì)微型氘核探頭(見圖1)。

圖1 發(fā)射單元外圍電路

3.2 射頻開關(guān)設(shè)計(jì)

HMC349MS8G芯片是本次電路選擇的射頻開關(guān)芯片，該芯片在頻率為DC～4G Hz范圍內(nèi)有非常良好的射頻隔離度，在開關(guān)關(guān)斷的情況下可以達(dá)到70 dB的衰減，開關(guān)的響應(yīng)速度為20 MHz，即在射頻關(guān)斷的0.05 μs內(nèi)信號衰減70 dB，所以關(guān)斷后的余留信號產(chǎn)生的延時(shí)震蕩影響可以忽略。

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們使用了兩組射頻開關(guān)，分別放置在發(fā)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(fā)射的時(shí)間，在通過高隔離度的射頻開關(guān)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(fā)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(tài)下，當(dāng)EN使能端為低電平時(shí)，信號從RFC端輸入，從RF1端輸出；當(dāng)EN引腳輸入高電平時(shí)，射頻開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，信號無法正常傳輸(見表1)。

圖2 射頻開關(guān)外圍電路

3.3 接收單元電路設(shè)計(jì)

表1 射頻開關(guān)高低電平設(shè)置參數(shù)

同時(shí)差分放大電路從音頻到磁共振成像有許多應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)，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(jié)果

由FPGA控制DDS輸出5 Vpp，頻率3.268 MHz的信號，當(dāng)場頻聯(lián)鎖系統(tǒng)控制TR開關(guān)切換到發(fā)射狀態(tài)時(shí)，示波器最大輸出能達(dá)到22 Vpp(見圖4)，與理論計(jì)算的放大倍數(shù)相符合，同時(shí)鎖收發(fā)機(jī)在TR開關(guān)控制下發(fā)射射頻脈沖(中心頻率為氘核的共振頻率)，激發(fā)探頭內(nèi)的氘核產(chǎn)生共振，它是一個(gè)單調(diào)衰減的曲線，通過ω=γ×β0，射頻與拉莫爾兩相等時(shí)，達(dá)到完美共振狀態(tài)(見圖5)。當(dāng)TR開關(guān)切換到接收狀態(tài)時(shí)，鎖前放將接收的共振信號FID(自由感應(yīng)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(dá)到330 mW(見圖6)，這能更加便于之后AD/DA模塊的處理。通過實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)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(lì)氘核的磁共振信號

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，基于DDS產(chǎn)生的鎖場信號的性能已經(jīng)達(dá)到要求。采用DDS技術(shù)使鎖場信號的產(chǎn)生、調(diào)制和解調(diào)、輸出磁場漂移誤差等工作，使鎖場控制單元的結(jié)構(gòu)變得更為簡單。而且由于采用FPGA和DDS技術(shù)，因此，能夠在滿足穩(wěn)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(fā)射、信號接收和誤差輸出電路進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)場頻聯(lián)鎖的特點(diǎn)選取合適的芯片，再根據(jù)芯片的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其外圍電路，重點(diǎn)介紹了發(fā)射電路的核心芯片和接收機(jī)核心芯片，對其原理、功能特點(diǎn)及應(yīng)用要點(diǎn)作了較深入的研究，在收發(fā)單元的硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢后，分別通過對發(fā)射單元與接收單元模塊化調(diào)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。