一种核磁共振匀场线圈的恒流源设计

黄月明

摘 要工业在线核磁共振谱仪用于测试图谱，进行分子结构的分析，在化工行业是较为先进的仪器仪表，同时也是提高产值节省劳动力必不可少的仪器。核磁共振匀场单元是核磁共振很重要的一个部分，本文将介绍一种为有源匀场线圈提供稳定、可控电流的恒流源设计。

【关键词】核磁共振 有源匀场 恒流源

1 引言

本文提出一种以运放以及三极管为主要部件，单片机为控制核心的可调节、稳定的恒流源设计。具有抗干扰能力强、精度高、电流稳定、控制方便等特点。经过试验可以作为核磁共振有源匀场线圈的恒流源使用。

2 总体方案设计及原理

核磁共振匀场线圈恒流源以微控制器C8051F021为控制核心，DA转换器AD5360输出16路可调电压作为恒流源基准，根据运放两端输入电流为0以及输入电压相等的特性构成稳定输出的恒流源。为匀场线圈提供可控制的稳定的电流。

3 系统硬件以及相关电路设计

3.1 运算放大器OP77

采用AD公司精密高速运算放大器OP77，OP77特点如下：

（1）超高增益：5000V/mV（最小值）。

（2）低VOS：55uV（最大值整个温度范围内）。

（3）高电源抑制比：3uV/V（最大值）。

（4）低功耗：60mW（最大值）。

运放OP77构成恒流源电路图与原理如图1。

R1=R3，R2=R4，R6为采样电阻大小为2欧姆，运放OP77与三极管同电源供电。根据运放特性，运放同向端反向端电压相等以及输入电流为0可以得出方程式：

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

将R1=R3，R2=R4，R6=2带入方程（1）化简后可得：

I=R2*[（Vin+）-（Vin-）]/（2*R1）。

式中（Vin+）-（Vin-）为DA芯片输出可调电压，所以电流I的值只与DA输出电压和R1、R2的值有關而与负载无关。所以只要确定R1、R2的值输出就是一个只与DA输出有关的恒定值。在本设计中R1取10K电阻R2取500欧姆电阻。

3.2 恒流源微控制器C8051F021与DA芯片

本设计采用新华龙公司微控制器C8051F021芯片为电压控制核心，AD5360输出16路电压为恒流源提供输入电压。

AD5360数模转换器是16通道，14bit，串行输入电压输出型DAC，可提供4倍于基准电压的缓冲电压输出范围。

AD5360特点如下：

（1）额定输出电压范围：-10V-10V。

（2）可提供多种输出范围。

（3）数字复位。

（4）16路DAC输出电压可同步更新。

（5）通道可分组和可寻址特性。

（6）通道监控多路复用器。

本设计中DA输出电压范围为-4V-4V，所以恒流源输出范围为-100mA-100mA据14位DA计算可得DA数在0时输出输出电流为-100mA，DA数为16383时输出电流值为100mA，一个DA值的变化引起电流电流变化约为0.0122mA。

3.3 恒流源供电电源

采用线性电源供电，线性电源稳压器采用可调、低压差稳压模块LT1083，滤波电路采用π型滤波器。最大流通电流7.5A，稳压块压降1.3V。电源220V交流供电，电源稳定度以及纹波等相关参数满足使用要求可以作为本设计的电源使用。

3.4 系统工作过程

匀场恒流源工作原理如下所示：

上位机通过232串口将DA数写入单片机，由单片机串行写入AD5360根据DA值AD5360输出电压改变，DA芯片输出的电压较为稳定，输出两端分别接恒流源的两端输入进而输出稳定电流，电流大小由上位机控制，输出电流连接匀场线圈产生不同大小、方向的磁场来影响目标磁场达到匀场的目的。

4 系统软件设计

本设计中软件部分主要包括单片机初始化程序、单片机控制AD5360进行DA转换程序、232串口通讯程序等模块。

5 实验数据及应用实例

该设计在实验室进行了测试，运用万用表以及示波器测试相关参数，分别采用5欧姆与10欧姆负载进行试验，试验数据与理论相同，输出电流变化在0.05mA以里，负载不同时输出相差无机与理论相同。万用表型号： KEYSIGHT 34461A。 示波器型号： KEYSIGHT DSO9064A。

根据以上数据该设计在输出-100mA-100mA电流时输出较为稳定，负载的变化对电流影响很微弱，该影响断定为负载发热引起的，在有源匀场线圈供电时可以忽略，所以本设计可以作为核磁共振有源匀场线圈的恒流源使用。

6 结论

本文从设计的整体设计、硬件结构、软件设计与实际使用等方面介绍了电路的工作原理，该设计输出电流稳定输出可控制，能够配套有源匀场线圈为永磁体提供较为稳定的电磁场，可以作为永磁体匀场线圈的恒流源使用。

参考文献

[1]王乃兴.核磁共振谱学：在有机化学中的应用[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]张义和，王敏男，许宏昌，余春长.例说51单片机[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[3]杜树春.集成运算放大器应用经典实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

作者单位

丹东东方测控技术股份有限公司 辽宁省丹东市 118002