一种低频交变磁场发生器的设计与实现

李灿，宋懿花，周作建

（南京中医药大学人工智能与信息技术学院，江苏南京 210023）

近年来，磁场作为一种常见的物理因子引起了人们的广泛关注。虽然某些情况下环境磁场对人体具有一定的危害[1-2]，但人们也认识到外加磁场可能对部分疾病的治疗作用。通常来讲，将频率低于300 kHz 的磁场称为低频磁场。交变磁场作为一种常用的、经济的、安全的、无创的物理因子治疗手段，能够显著改善缺铁性贫血[3]。此外，在10 mT、20 mT和30 mT 的工频电磁场作用下，HT22 细胞的增殖得到促进[4]。频率为5 Hz、场强为1 mT 的磁场会使免疫力低下小鼠的免疫功能增强；暴露于磁场频率为60 Hz、场强为1.1 mT 的环境中时，鼠上皮细胞JB6 在10～14 天时间的生长速度加快；与对照组相比，暴露于场强为1～13 mT 磁场中的鲤鱼（Cyprinuscarpio）、鲑鱼（Salmotrutta）、虹鳟鱼（Oncorhynchusmykiss）胚胎孵化的鱼苗更长、更重、能动性更强，且心脏节律增强、呼吸强度增加，尤其是在早期形成心脏的脉动时期，气体交换增加，这一现象在器官形成阶段更加显著[5]。以上研究表明，低频交变磁场可能对疾病的治疗具有一定的促进作用。基于此，该文介绍了一种用于生物学研究实验的低频交变磁场发生器。

常见的实验用磁场仪器的输入信号有正弦波、方波和三角波，而能对细胞产生明显影响的磁场强度范围一般在0.1～200 mT。因此将设计的磁场发生装置的磁场强度指标定为0～200 mT，频率0～1 kHz。该仪器主要为探索性生物学实验而研制，因此，把驱动波形设定为正弦波、方波和三角波，通过参数调节设置驱动波形、占空比、幅度和频率。

1 系统设计

文中设计的磁场发生装置主要由电源电路、信号产生电路、功率放大电路以及励磁线圈所组成。图1 为设计的电路系统框图。使用时根据需要设定各种参数，MCU 控制信号发生电路产生特定频率和幅度的波形信号，输入功率放大电路进行信号的放大，进而驱动磁场线圈产生磁场。

图1 系统结构框图

电源采用定制的300 W 功率变压器，将220 V 转化为±22 V 和±14 V。

输出的±22 V交流电压通过整流桥变为直流。输出的交流电压±14 V 经过1 A 小整流桥及50 V/2 200 μF的电容整流后得到±14 V 的直流电压。+14 V 的直流电压经过LM7805 稳压后产生+5 V 的电压，而-14 V电压经过LM7905 稳压后则产生-5 V 的电压。

1.1 波形发生电路设计

作为maxim 公司生产的精密高频波形发生器。max038 通过结合少量外部元件，加之适当的控制条件，即可输出多种周期信号波形，如正弦波、方波、三角波等信号[6-7]。输出信号的峰值可在2 V 左右，频率可在0.1 Hz～20 MHz 连续可调。其中，方波的占空比在10%～90%连续可调[8-10]。所设计的波形发生电路如图2 所示。

图2 max038波形发生电路图

1）波形选择

该部分电路为信号产生电路，通过max038 加适当的外围电路实现。可输出的波形为正弦波、方波和三角波。通过设定max038 的地址控制端A0 和A1的值控制实际输出的波形，max038 的波形选择功能如表1 所示。

表1 max038的波形输出参数控制

以上波形可通过程序控制随时进行切换。

2）输出频率调整

输出频率的调节由粗调和细调进行精确控制，主要由max038 芯片的引脚10、引脚8 的端电压UFADJ以及引脚5 的主振荡器外接电容CF共同实现。电阻R1实现频率的粗调，确定频段的中心频率。而Rx为微调电位器，由电位器Rx和电阻R4、R5完成，通过改变8 引脚FADJ 的数值，使输出频率有所变化。具体调节规律如下：

①UFADJ=0 时，输出频率f0=Iin/CF，Iin=Uin/Rin=2.5/Rin；

②UFADJ≠0 时，输出频率f=f0(1-0.291 5UFADJ)。

Iin在10～400 A 范围内变化时，电路可以获得最佳性能。如果需要以固定频率工作，可将Iin值设定为100 μA，并通过调节电容的取值在100 μF～20 pF来实现。值得注意的是，为了减小电路的分布电容，应使用尽可能短的引线。

电路选择500 kΩ作为粗调电阻，两个0.22 kΩ电阻和一个1 kΩ滑阻组成微调电路，粗调电阻确定了中心频率，然后调节Rx选择所需的频率值。

文中CF取10 nF，计算得出中心频率为f0=500 Hz；微调由UFADJ的值决定，如下：

根据Rx取值算出UFADJ的取值范围为-3.47～+3.47 V，可得到：

故微调范围为0.011 50f0～2.011 505f0，综合以上得出频率范围为5.752 5～1 005.752 5 Hz，考虑到实验中的实际误差与精确度，该范围也完全满足设计要求。

3）占空比调整

max038 的引脚7 对应的DADJ 端接地，即可将方波信号的占空比固定为50%，该设置既能简化电路，又可满足多数场合的使用要求。

4）幅值调节

波形产生电路输出波形的峰峰值均为2 V，为了得到更大的输出幅值，在信号输出级加上一个电压放大级，用高精度运放Opa2227加电位器保证了输出信号的幅值在0～5 V范围内连续可调，具体电路如图2所示。

5）测试结果及波形

以产生频率为200 Hz、峰峰值为2 V的波形为例，测试结果如图3 所示。可看出输出波形很理想，电压连续可调且幅值显示正确，频率测量误差在1 Hz以内，波形稳定、失真度低。

图3 实际硬件电路产生的波形图

1.2 功放电路设计

低频交变磁场发生器需要将功率进行较大程度的放大，文中考虑采用OCL 电路连接的方法。

作为OTL 电路的升级版，OCL 电路去除输出端大电容后，系统的低频响应更加平滑，且避免了大电容造成的电路不稳定[11-12]，如图4（a）所示。

图4 OCL功放电路

由于存在输出电容耦合的情况，OCL 电路可采用单电源供电，由电容充放电产生交流信号。只要电容C的容量足够大，电容C上的电压变化就可忽略，进而可将输出电压看作一个恒压源。若采用双电源连接，则OCL 电路输出端电位的直流部分为电流为0 A。由于无输出电容，因此该电路的低频特性非常好[13-14]。当使用双电源供电时，电路的最大输出电压值为正、负电源值。此时电路的额定输出功率约为

一般情况下，完整的OCL 功放电路如图4（b）所示。第一部分中的V1 和V2 为典型的差动输入级，这部分电路有时也用集成运放代替。差动输入级需要对原始信号进行放大，以满足后级功放电路的需求。中间推动级的二极管D1 为推挽输出级中的V5和V6 提供需要的偏压值。而负载级的电容C4和推挽输出级中的电阻R7、R8构成自举电路，弥补了正半周大信号的输出不足。

实际采用OCL接法设计的功放电路如图5所示。

图5 采取OCL接法设计的功放电路图

图5 是由分立元件构成的实际直流互补对称OCL 电路。该电路由差分放大级、电压推动级和复合输出级三级构成。电路中引入了直流负反馈，取消了反馈电容，消除了电路不稳定。同时，通过射级电阻引入了本级负反馈，改善本级性能的同时也简化了电路。输出级工作在甲乙类状态，在保障效率的同时，保证了元件工作在线性区。电路中差分管放大倍数为200，电压推动管放大倍数为80。

在以上条件下，稳压电源既提供能量，又提供电压偏置，调试后对整体电路加以测量：当前，置输入电压为20 mV 时，输出功率超过12 W。

该电路的特点为采用DNC 设计的优秀音频功放电路，确保能够放大器稳定工作；用差分对管做输入，精确配对每个元件，专用管做末级输出，性能精良；实现了开机延时、瞬时关机、输出中点偏移、过载保护等功能。

实际测试结果表明，输出阻抗为4～8 Ω，最大输出功率可达250 W，频率响应范围为10 Hz～50 kHz，覆盖了设计的频率指标范围。实际使用时采用了大散热片，以保证输出功率较大时能达到较好的散热效果。

2 磁场测量原理与方法

针对设计指标，系统的磁路实际尺寸为，铁氧体磁芯的外型尺寸为140 mm×120 mm×30 mm，横截面是边长30 mm的正方形，磁芯中间气隙宽度为30 mm。励磁线圈用自绕圆截面漆包线线圈。考虑到功放电路输出电流较大，漆包线选用直径为2 mm 的耐高温线，如图6（a）所示。测量原理为楞次定律，即感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化[15]。用公式表示为：

式中，ε为交变磁场的线圈产生的感应电动势，φ为通过每匝线圈的磁通量，单位为Wb，N为测试线圈的匝数。如图6（b）所示。设定磁场强度为B，单位为T，线圈面积为S，单位为m2，线圈匝数为N，单位为匝。

图6 测试线圈及磁场方向示意图

对于面积相等的每一匝线圈Φ=BS，线圈的横截面垂直于磁场方向，故线圈的感应电动势为[16]ε=-NS(dB/dt)，因此正弦变化的交变磁场的磁感应强度为B=Bmsin(ωt)，其中，Bm为磁感应强度幅值。测试线圈的感应电压为ε=-NSBmωcos(ωt)，其中，ω=2πf。从而有：

通过εpp值可以推算出正弦交变磁场的磁感应强度。文中使用锁相放大器（SR830）来测量励磁线圈的感应电动势，再用式（2）计算磁场强度。

3 测量结果与分析

图7 是用测试线圈测得的磁感应强度数据，其中，横轴代表功放电路输入波形的有效值，即信号发生部分输出信号的有效值。

图7 测量结果曲线图

不同频率下测得的最大磁感应强度值如表2所示。

从表2 中可以看出，随着频率的增大，交变磁场的输出场强呈急剧递减，出现该情况的原因分析如下：

表2 不同频率下的最大磁感应强度值

首先，磁场的负载线圈实际上就是一个电感，其本身存在电感和电阻值。当输入频率升高时，其感抗也随之快速增大。万用表测得其直流阻抗为4.5 Ω。而通过交流阻抗分析仪（安捷伦4 294 A）测定，发现线圈的交流阻抗在1 kHz 内基本呈线性增长，如图8 所示，励磁线圈的交流阻抗在50 Hz 时仅为8.6 Ω，到了1 kHz 时其阻抗值达到了195.4 Ω。线圈阻抗的增大使得功放电路的负载增加，因而影响了交变磁场的场强输出。

图8 励磁线圈的交流阻抗值随频率的变化

4 结论

该文介绍了一种用于生物学实验研究的低频交变磁场发生装置，采用硬件电路进行设计与实现，电路输出效果较好，频率准确度和输出稳定度也较高。在波形产生电路设定波形，频率、占空比和幅值也可连续调节[17]，电路除可产生常用的正弦波、方波、三角波外，还可自行调整电路参数，以方便产生所需要的其他周期性的信号波形，解决了输出波形种类单一的问题[18]；功放电路采用OCL 接法，选用优质分立元件自搭建电路来放大电压，从而产生强度可变的交变磁场，使用频率范围较宽。输出磁场强度在0～1 kHz 之间连续可调，场强达到200 mT 的指标，最大可超过300 mT。该设计打破常规交变磁场频率固定的限制；同时产生的磁场强度范围较宽，完全符合常见生物学实验的要求(0～200 mT)，将成为磁场生物学效应研究的有力工具。