基于DDS的变频精密脉冲型电源系统设计

    我国是水资源缺乏的国家,急需用新方法、新技术勘查地下水资源。地面核磁共振找水方法是目前世界上唯一直接找水的地球物理方法[1]。发射机是核磁共振找水仪的核心部分，而发射的交变脉冲电流的质量直接关系到地下水探测的深度和反演的精度。因此，设计一台发射功率大、频率精度高、自动调整谐振电容的电源是本文重点研究的内容,研制实现的电源最高可以产生3 000 V、400 A的正弦脉冲信号,满足100 m以内的地下水探测的要求。解决了发射功率小、频率精度低、关断后能量释放慢等关键性的技术难题，为利用核磁共振技术探测地下水奠定了坚实的基础。
    水中的氢核具有微弱的磁性，在地磁场的作用下产生宏观的磁矩。向铺在地面上的发射线圈中输入一交变电流脉冲，其频率等于氢质子在稳定能级的旋进频率(亦称拉莫尔频率)。该交变电流脉冲在垂直于地磁场方向产生一激发磁场,使水中氢质子的宏观磁矩停留在垂直于地磁场方向,切断激发交变电流脉冲后,撤去激发磁场,水中氢质子产生绕地磁场的旋进运动,此时,用接收线圈拾取由激发脉冲矩激发产生的氢质子核磁共振信号NMR(Nuclear Magnetic Resonance),通过反演得到地下水的厚度、深度、含水量等信息[2]。
1 核心电路设计
    电源系统主要由频率产生模块、DC-DC逆变模块、驱动电路模块、大功率交变脉冲产生模块、谐配电容参数调整模块、电容储能模块、发射线圈以及单片机组成,如图1所示。

    电源系统的工作过程是：首先通过PC机把测试点的拉莫尔频率、DC-DC逆变模块输出电压、采集模式等参数送入单片机，然后由单片机通过DA模块设定逆变模块的输出电压值及频率产生模块的频率参数，其中频率产生模块输出的信号经过驱动电路模块和大功率交变脉冲模块产生功方波，再经过串联在线圈中的谐振电容，变换为发生核磁共振所需的正弦波激发脉冲；AD模块完成逆变模块输出端电压的实时采样，比较预置电压和输出电压的大小来决定是否继续给电容充电；谐配电容参数调整模块利用电路谐振,自动调整电容的大小，并确定发射过程中电容的最佳值。一次发射的脉冲信号持续时间为40 ms，然后停止发射，经过约70 ms的线圈能量释放时间后，完成一次发射。
1.1 频率发生器及驱动电路的实现
　    频率发生器的电路主要完成产生精度高的方波信号，控制IPM输出频率可变的交流信号。在世界范围内，地磁场强度在30 000 nT~60 000 nT范围变化，对应拉莫尔频率范围为1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR对激发脉冲的频率精度要求非常高，利用多次采集叠加提高信噪比的方法接收天线上的NMR信号，在探测点每次发射的脉冲必须保持同频同相，因此采用ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851作为频率发生器的主控芯片。AD9851接口功能控制简单，32位频率控制字,在180 MHz时钟下，输出频率分辨率达0.037 2 Hz，完全可以满足发射机的发射要求。驱动电路主要是对AD9851输出的方波进行放大，然后驱动IGBT功率管，产生交流信号。考虑到通过IGBT的电流最高达到400 A,本文选取了三菱公司的M57962L作为驱动模块，该驱动模块内部集成了3 000 V的高隔离、高电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护端子，具有封闭性短路保护功能，满足实验要求。
1.2 大功率交变脉冲模块电路的实现
    大功率交变脉冲模块的设计是电源设计的核心技术和难点。大功率交变脉冲模块的功能是：通过天线和谐配电容箱组成的LC回路，发射特定频率的交变电流信号，从而产生垂直于地磁场方向的交变磁场，最终激发地下水中的氢核磁矩发生偏转而产生自由感应衰减信号(FID)。由于核磁共振接收到的有效信号为纳伏(nV)级，因此激发的交变磁场强度越大，则激发的脉冲矩(q=I0t)越强，从而保证接收的核磁共振信号越强,探测地下水的深度就会越精确。
    因此采用方波全桥逆变技术设计了电压型H桥电路，由AD9851产生的高精度拉莫尔频率的脉冲经过死区时间产生电路、驱动电路后控制H桥4个臂的间隔导通，在输出端产生大功率的方波，经过发射线圈和谐振电容后，变成发射所需的正弦功率波。在实际电路设计中，采用三菱公司的2块大功率PM400DSA060模块(简称IPM)构成H桥电路，代替由4个独立的IGBT功率管组成的电路，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且通过内置过电压、过电流和过热等故障检测电路，将检测信号送到单片机，实现对IPM发射状态的实时监测。大功率IPM模块电路如图2所示。

    由于开关器件不可避免地存在关断时间，即从控制器发出关断控制信号到 H桥开关器件彻底关断,会有一定的延迟时间，这个时间通常称之为死区时间或空载时间[4]。因此需要在发送控制信号的同时把这个时间考虑进去，避免因为4个IGBT同时导通造成发射回路短路烧毁器件。本文设计了图2(c)所示的IPM模块死区时间的产生电路，利用电容的充放电来实现硬延时操作，产生IPM关断所需的死区时间。与传统的软件延时相比，具有操作简单、控制精确的特点。
1.3 发射单元及快速切换电路的实现
　    发射机发射单元的等效电路如图3所示，利用核磁共振的方法探测地下水时，发射和接收为同一线圈。当探测深度为100 m时，线圈中的电流可达400 A,电压可达3 000 V，而接收回来的NMR信号只有纳伏级，因此，发射和接收之间的开关必须快速切换。本文从稳定、安全的角度出发，设计了利用耐高压真空继电器,实现发射和接收的快速切换和隔离。当发射时，C1和L组成串联谐振回路，发射完成后，C1、C2、R、L组成放电回路，等待70 ms，线圈中的能量耗尽时，切换到接收回路，接收NMR信号。R为100 ?赘大功率电阻，发射完成后接入放电回路，用于快速释放线圈中的能量。C2在整个发射过程中具有重要的作用，并由L和C1组成串联谐振回路，在其谐振频率等于输入的方波频率时，电路发生谐振，此时的频率等于测试点的拉莫尔频率。

    当发射停止后，发射回路快速切换到释能状态。C1、C2、L存储的能量会产生自激振荡，但是自由衰减的频率和拉莫尔频率不再相等，保证了接收回来的NMR信号来自发射而不是自由衰减产生。因为在自由衰减过程中，C1、C2、R、L共同参与，则自由衰减的频率:
    
    通过实验测试可知，C=(C1×C2）/(C1+C2),C2≈0.5C1,自由衰减的频率约为拉莫尔频率的1.2倍。核磁共振时，发射回路的谐振频率为探测点的拉莫尔频率，通过式(1)可知，放电时自由衰减的频率远大于拉莫尔频率，这样就不会对地下的氢核产生核磁共振的影响，放电回路的独特设计保证了发射完毕后在最短的时间内快速切换到接收状态[5-6]。
2 实验结果
　    基于DDS的变频精密脉冲型电源的实验环境为某矿山的实验基地。已知地下30 m处有厚度为3 m的地下水仓，本仪器实地探测到了精确的地下水存在。当频率为2 000 Hz时，系统中IGBT控制信号的波形如图4所示。当电源系统频率为2 000 Hz时，输出120 A电流波形如图5所示。当电源系统输出电流为150 A,频率分别为2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz时，PC机接收到的NMR信号如图6所示。由图可以看出，采用不同频率发射、接收到的NMR信号的初始相位都相同，从而进一步验证了发射波形的有效性。表1的实验数据是利用LC回路发射不同频率的信号，其中谐配电容C的值由当地的拉莫尔频率选定，线圈电感L的值固定不变，使电路工作在谐振状态,实测6组不同频率和理论之间的误差,DC/DC输出为400 V，储能电容为24 V。经过计算分析得出以下结论:电源系统的发射频率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz范围内时，测得实际发射频率ft的值，其与f0之间的偏差范围(fd)控制在0.20 Hz内，符合NMR技术要求的标准。

    本文设计了一种大功率变频精密脉冲型电源系统，与传统的逆变电源相比，创新点是：自适应精确校准谐振电容技术，通过采样发射回路的电流极值确定LC谐振回路的相关参数；快速关断释能技术及提高自由衰减频率电路的巧妙设计，确保接收NMR信号的有效性；IPM功率模块和M57962L驱动模块的使用，实现了大功率交变电流输出。通过电路的仿真和野外探测，满足探测的各项指标要求，对生产核磁共振找水仪发射机提供了成功的方案。
参考文献
[1] 潘玉玲, 张昌达. 地面核磁共振找水理论和方法[M].武汉:中国地质大学出版社,2000.
[2] 张建中，孙存谱.磁共振教程[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社,1996.
[3] 华学明,石伯圣,张继伟. IGBT逆变点焊电源主回路的计算机仿真[J].上海工程技术大学学报, 2001,15(1):
17-20.
[4] 林君，段清明，王应吉,等.核磁共振找水仪原理与应用[M].北京：科学出版社,2011.
[5] 王应吉,林君,荣亮亮,等. 地面核磁共振找水仪放大器设计[J]. 仪器仪表学报, 2008,29(8):1627-1632.    
[6] ANFEROVA V, ANFEROV M, ADAMS P, et al. Blumich  construction of a NMR-MOUSE with shortdead time concepts in magnetic resonance[J]. Magnetic Resonance Engineering,2002,15(1):15-25.