基于直接数字频率合成技术的核磁共振弛豫分析仪场频联锁电路设计

张凯威，苗志英，施群雁，陈珊珊，汪红志△

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海健康医学院，上海 200093)

1 引 言

随着原子物理学的进步，人们利用原子核自旋产生的现象衍生出的核磁共振技术被广泛应用。其中核磁共振这样的一种物理现象作为分析物质的手段，由于可以深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料学等学科，在科研和生产中发挥了巨大的作用。正是由于核磁共振所具备的优势和巨大的潜力使人们不断研制开发出新的仪器以满足不同实验需求和应用领域。在我国，随着化学、生物等基础学科的发展，大分子结构的测量对磁共振弛豫分析仪的需求越来越多。尽管我国已经进口多台设备，却远远无法满足科研需求，这种局面显然已经成为制约基础科学研究的瓶颈，迫切需要在国家中长期科学和技术规则纲要指引下研制出有自己独立知识产权的核磁共振弛豫分析仪。

磁共振弛豫分析仪是一种可以在食品分析、石油化工、无损检测、疾病预防等方面广泛应用的设备。一个具有稳定、高分辨特性的锁场射频信号是高性能核磁共振弛豫分析仪的核心，当弛豫分析仪锁定静磁场后，不断检测磁场并获得磁场漂移误差，然后根据误差对静磁场进行调整达到稳定磁场的目的。

本研究选择了氘核的NMR信号作为锁场的标准信号。以相应频率的射频场连续激发锁信号，当磁场强度恰好满足共振条件时，其色散信号幅度为0值[6-7]。磁场强度一旦偏离共振值，色散信号就会呈现与偏离值相对应的正值或负值，经放大后以适当大小和方向的电流送入励磁线圈(电磁铁)或场偏置线圈(永久磁铁或超导磁体)形成负反馈，从而使磁场强度的偏离得到补偿，保证ω=γ×B0，这一共振条件。反之，若磁场强度稳定而射频场频率偶尔变化也可迫使磁场变化以保持共振条件，即场强和频率互相制约一场频联锁。由于NMR谱线很窄，对磁场或频率的微小变化十分敏感，因此，场频联锁对长期稳定性的改善非常有效。实际上，现在的电子技术不难使频率的稳定度达到10-9或更高，所以，场频联锁主要是利用频率的稳定度来提高磁场强度的稳定度。

本研究针对这些要求，将现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array ，FPGA)[2-4]、直接数字频率合成技术(direct digital synthesizer，DDS)及中频数字化技术等应用于核磁共振谱仪锁场系统的收发电路中，并进行了相关研究。

2 总体设计方案

在长时间实验中将造成谱线相对位置的移动，使谱线加宽甚至出现多重峰。场频联锁作为重要的磁场长期稳定技术，利用氘核的NMR信号作为监控信号，当磁场产生漂移时，检测到氘核的共振频率也发生改变，场频联锁系统就产生补偿信号去校准磁场，迫使磁场强度跟踪高稳定度的射频频率源，保证共振条件的长期稳定[4-5]。场频联锁系统是一套完整的NMR观测系统，由于只采用单根谱线作监控，所以比观测通道简单。

FPGA 具有高速数据处理能力，DDS 技术可以高效、稳定、精确、方便控制频率，本研究采用Altera 公司的NCO 技术实现FPGA 中DDS 配置，特点为精确稳定，参数可个性化配置，频率范围、稳定度等均能达到较高要求。由于DDS最大峰峰值输出只有5 V，无法满足最终的目标要求，故采用TI公司的THS3091电流型反馈运放进行功率放大去激励氘核，由TR开关控制发射与接收单元的切换，最后在接收单元，采用AD797进行低噪声前置放大的处理。

3 单元电路设计

3.1 发射单元电路设计

根据总体方案中的要求，进行理论计算。第一，要求输出功率在50 Ω负载上为24.4 dBm(接近280 mW)，那么输出峰值就为5.477 V，输出电流峰值为110 mA(不算上反馈环路电流)，一般的运放没有如此大的电流输出能力，我们准备选择电流型运算放大器。第二，3.268 MHz信号所需要运算放器SR=2 πfv×3.268×5.477=112 V/μs，所有需要选择SR大于112的运放，并留有一定裕量。第三，放大倍数为5.477/5=1.0954，那么，所需GBW=1.0954×3.268 MHz=3.58 MHz，设计时，应当留有20 dB裕量，要保证反馈放大器稳定工作，所以选择GBW在40 MHz以上的运放。

TI公司的THS3091能够满足以上所述要求，它是一款高电压，低失真，电流反馈放大器。转换速率为7300 V/μs，增益带宽积为420 MHz ，输出电流高达± 250 mA 。低噪声:正向电流噪声为14pA/Hz，反向电流噪声为17 pA/Hz，电压噪声为2 nV/Hz。

发射单元电路包含固定增益放大和功率放大模块。本研究用单片THS3091 搭建同相增益放大和功率放大模块。设置增益为8倍，本研究选取反馈电阻RF 为1 K反相端输入电阻RG 为125 Ω。为了防止电流反馈运算放大器THS3091 的自激，本研究在THS3091 的输入端加上50 Ω的限流电阻。该模块可同时对信号幅度和功率进行放大，并且驱动后级的50 Ω线圈负载，激励微型氘核探头(见图1)。

图1 发射单元外围电路

3.2 射频开关设计

HMC349MS8G芯片是本次电路选择的射频开关芯片，该芯片在频率为DC～4G Hz范围内有非常良好的射频隔离度，在开关关断的情况下可以达到70 dB的衰减，开关的响应速度为20 MHz，即在射频关断的0.05 μs内信号衰减70 dB，所以关断后的余留信号产生的延时震荡影响可以忽略。

在整个系统设计中，我们使用了两组射频开关，分别放置在发射单元功放电路的前面与接收单元前置放大电路的前面，目的是为了通过FPGA编程，精确控制脉冲发射的时间，在通过高隔离度的射频开关不让多余的微弱信号影响后级功放模块，从而引起噪声干扰。更精确的控制射频信号的发射与接收(见图2)。

具体工作模式为，在Vctl引脚处于高电平状态下，当EN使能端为低电平时，信号从RFC端输入，从RF1端输出；当EN引脚输入高电平时，射频开关处于关闭状态，信号无法正常传输(见表1)。

图2 射频开关外围电路

3.3 接收单元电路设计

表1 射频开关高低电平设置参数

同时差分放大电路从音频到磁共振成像有许多应用[8-9]，它能从存在的共同模式信号中提取低频信号。AD797提供了这种只有9 nV/Hz的噪声输出功能，同时显示了其20 位THD 性能，超过音频频段和到250 KHz的16 位精度。AD797 由于其单级设计，其噪声均匀的覆盖了从小于10 Hz 到超过10 MHz 频率带(见图3)。

4 测试结果

由FPGA控制DDS输出5 Vpp，频率3.268 MHz的信号，当场频联锁系统控制TR开关切换到发射状态时，示波器最大输出能达到22 Vpp(见图4)，与理论计算的放大倍数相符合，同时锁收发机在TR开关控制下发射射频脉冲(中心频率为氘核的共振频率)，激发探头内的氘核产生共振，它是一个单调衰减的曲线，通过ω=γ×β0，射频与拉莫尔两相等时，达到完美共振状态(见图5)。当TR开关切换到接收状态时，锁前放将接收的共振信号FID(自由感应衰减信号)低噪声放大，磁共振信号一般为μW级，通过AD797前置放大能达到330 mW(见图6)，这能更加便于之后AD/DA模块的处理。通过实验，测试结果达到设计总体方案的要求。

图3 接收单元外围电路

图4 功放THS3091输出最大幅值

图5 AD797输出幅值

图6 激励氘核的磁共振信号

5 结束语

从实验结果来看，基于DDS产生的锁场信号的性能已经达到要求。采用DDS技术使锁场信号的产生、调制和解调、输出磁场漂移误差等工作，使锁场控制单元的结构变得更为简单。而且由于采用FPGA和DDS技术，因此，能够在满足稳定度和精确度的条件下输出频率可控的信号。并且对锁通道信号发射、信号接收和误差输出电路进行具体实现方案，根据场频联锁的特点选取合适的芯片，再根据芯片的特点设计其外围电路，重点介绍了发射电路的核心芯片和接收机核心芯片，对其原理、功能特点及应用要点作了较深入的研究，在收发单元的硬件电路已经设计完毕后，分别通过对发射单元与接收单元模块化调试。所以，整套方案对将来研制高性能NMR弛豫分析仪有重要参考意义。