63876 (Система электронного управления магнитно-резонансного томографа), страница 2

Р исунок 6. Передатчик РЧ сигнала.

Несущая со смещенной частотой непрерывно поступает от РЧ блока. Она не обязательно должна иметь форму гармонического колебания – это может быть и прямоугольное напряжение (меандр). Главное требование, предъявляемое к ней – стабильность частоты и амплитуды. Сигнал огибающей поступает от блока выбора слоя. Несущая усиливается двухтактным усилителем. Его первый каскад на транзисторах VT1, VT2 (резистивный) раскачивает мощный выходной каскад на полевых транзисторах с изолированным затвором VT7, VT8. Для согласования входного и выходного каскадов служат двухтактные эмиттерные повторители на комплементарных парах транзисторов VT3, VT4 и VТ5, VT6.

Модуляция осуществляется с помощью транзисторов VT9, VT10, которые управляют током специального источника питания. Такой способ питания называют «плавающей землей» или «подземным» источником. При отсутствии РЧИ потенциал точки а равен нулю, поэтому напряжение U_си полевых транзисторов также равно нулю, и ток в цепи РЧ катушек отсутствует. Поступающий от формирователя огибающей сигнал открывает транзисторы VT9, VT10, и потенциал точки а понижается. Это приводит к отпиранию транзисторов VT7, VT8 и возбуждению тока в РЧ катушках. Рассмотренный способ модуляции аналогичен анодной или коллекторной модуляции. Он характеризуется высокой линейностью воспроизведения огибающей в широком динамическом диапазоне, но требует большой мощности от модулятора. Для обеспечения пропорциональности между управляющим сигналом огибающей и выходным напряжением модулятора усилитель огибающей охватывают глубокой отрицательной ОС по напряжению.

Для работы в выходном каскаде передатчика подходят мощные полевые транзисторы КП904А, Б с максимальной мощностью рассеяния 75 Вт и минимальной крутизной около 250 мА/В. При выходном токе 1,4 А, взятом из ранее рассмотренного примера, потребуется напряжение U_зи = 1,4/0,25 = 5,6 В. Емкость затвор-исток этих транзисторов составляет около 200 пФ. На частоте 5 МГц их входной ток будет равен 35 мА, т.е. ток получается достаточно большим. Но если бы использовать биполярные транзисторы, он был бы не меньше, а линейность была бы хуже.

Во вторичной цепи трансформатора Т2 включена пара встречно-параллельных диодов. Она, как и аналогичные пары в цепях РЧ катушек, служит для отключения выхода передатчика во время приема МР сигнала с целью предотвращения его шунтирования сравнительно малым выходным сопротивлением трансформатора.

Рассмотрим теперь более подробно устройство РЧ блока. Основными его частями являются генератор смещенной частоты и синхронный детектор МР сигнала. Структурная схема генератора приведена на рис.7.

Рисунок 7. Генератор сигналов смещенной частоты.

Принцип смещения частоты основан на тригонометрическом преобразовании

cos(f₀ f_см) = cos(f₀) cos(f_см) sin(f₀) sin(f_см),

или (1)

sin(f₀ f_см) = sin(f₀) cos(f_см) cos(f₀) sin(f_см).

В тригонометрических выражениях (1) для простоты вместо t условно записаны частоты f. Таким образом, для смещения частоты f₀ нужно выполнить операции умножения и сложения двух пар квадратурных гармонических функций. Нулевая частота смещения соответствует слою, проходящему через центр магнита. Для выбора слоя по разные стороны относительно центра в выражениях (1) следует менять знаки при вторых слагаемых. Физически для этого достаточно проинвертировать функцию sinf_см. Квадратурные сигналы с частотой f₀ получают с помощью опорного генератора с частотой 2f₀, делителя на 2 и фазосдвигающего устройства, обеспечивающего сдвиг фаз на 90^о. Наиболее просто деление частоты на 2 и сдвиг фаз можно реализовать с помощью цифровых схем. Для этого можно использовать быстродействующие элементы типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) серий К500 или К1500. Эти микросхемы обладают также достаточно большой выходной мощностью. Деление частоты на 2 выполняется триггером, поэтому переменные напряжения частотой f₀ имеют форму симметричных прямоугольных импульсов (меандра), что важно с точки зрения точности преобразования. Квадратурные сигналы с частотой f_см гармонической формы поставляет специальное формирующее устройство блока выбора слоя.

Функции перемножения и сложения выполняются с помощью аналоговых перемножителей (АП). При этом один из сомножителей является гармонической функцией, а другой - периодической негармонической. Гармонический сигнал с частотой f₀ + f_см выделяют на параллельном колебательном контуре, подключаемом к выходам АП и настроенном на частоту f₀. Впрочем, затем он может снова стать прямоугольным, если в качестве предварительного усилителя ПУ и оконечного каскада ОК использовать цифровые микросхемы К500 или К1500.

В качестве АП можно применить популярную микросхему К174ПС1. Она представляет собой аналоговый перемножитель общего применения с предельной частотой 220 МГц. Его выходное напряжение определяется выражением , где К_м – масштабный коэффициент. Электрическая схема этого АП приведена на рис.8.

Р исунок 8. Аналоговый перемножитель К174ПС1.

Регулятор фазы поддерживает точный сдвиг фаз в 90^о между квадратурными сигналами с частотой f₀. Это достигается применением АП (АП3) и фильтра нижних частот, в качестве которого используется интегратор. Выходное напряжение интегратора смещает потенциал на выходе фазосдвигающей цепи, которая представляет собой интегрирующую RC-цепь. В результате сдвигается во времени фронт импульса на входе одного из триггеров-делителей на 2. Регулятор охвачен обратной связью сигналами cosf₀ и sinf₀. В результате на выходе АП3 возникает переменное прямоугольное напряжение с частотой 2f₀ (рис.9). При точном равенстве сдвига фаз 90^о это напряжение будет иметь форму меандра, и поэтому выходное напряжение интегратора будет равно нулю.

Р исунок 9. Напряжение на выходе АП3.

К анал синхронного детектора показан на рис.10. МР сигнал от предварительного усилителя поступает на вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления, который выполнен на АП (АП1). Сущность управления усилением состоит в том, что один из входных сигналов представляет собой постоянное напряжение, подаваемое от блока программатора уровней. В частности, при возбуждении РЧ катушек, когда на входе этого усилителя возникает большой сигнал, на управляющем входе на некоторое время устанавливается нулевой уровень. Это приводит к блокировке усилителя.

Рисунок 10. Синхронный детектор МР сигнала.

Первая гармоника сигнала cos(f₀+f_см) выделяется на колебательном контуре и детектируется синхронным детектором, который выполнен также на аналоговых перемножителях. На их сигнальные входы подается один и тот же сигнал cos(f₀+f_см), а на опорные входы – квадратурные опорные сигналы cosf₀ и sinf₀. Спектры выходных сигналов АП2 и АП3 описываются выражениями (2.13) и представляют собой биения колебаний. Фильтры нижних частот выделяют из этих биений низкочастотные составляющие cosf_см и sinf_см, которые несут информацию о параметрах, характеризующих локальные свойства тканей. Эти сигналы усиливаются и поступают в каналы U и V аналого-цифровых преобразователей.

Ранее отмечалась высокая помехоустойчивость синхронных детекторов. Действительно, если в принимаемом сообщении кроме полезной составляющей с частотой f₀+ f_см имеется также помеха с частотой f_п, близкой к f₀, то, например, первое равенство системы (2.13) будет иметь вид

cos(f_п+f_см) сosf₀ = [cos(f₀+f_п+fсм) + cos(f_п-f₀+ f_см)].

Если f_п>f₀ , то f_п-f₀+ f_см > f_см , и помеха оказывается за пределами полосы пропускания фильтра.

В режиме тестирования томогорафа, когда МР сигналы не принимаются, вход усилителя размыкается контактами реле, которое управляется специальным сигналом «Тест».

Конечным пунктом назначения МР сигнала в усилительном тракте являются АЦП каналов U и V. Перед каждым АЦП устанавливают фильтр НЧ с управляемой полосой пропускания, которая задается в соответствии с частотой смещения. В отличие от УЗ сканеров или цифровых РТС для цифрового преобразования МР сигнала, в принципе, не требуется сверхскоростной АЦП. Действительно, МР сигнал (тот, который считывается) длится около 8 мс. За это время требуется обычно сделать 256 отсчетов. Следовательно, время одного отсчета составляет примерно 30 мкс. Это время преобразования АЦП последовательного приближения типа К1113ПВ1, который представляет собой стандартную микросхему, имеющую все необходимое для сопряжения с ЭВМ. К тому времени, когда началась разработка первого российского МР томографа «Образ-1», эта микросхема уже выпускалась. Тем не менее, разработчики применили АЦП со структурой К1113ПВ1, но выполненный из нескольких отдельных элементов: регистр последовательного приближения (РПП), ЦАП, компаратор. Вероятно, разработчиков не устраивала разрядность К1113ПВ1 – 10, что давало точность преобразования в 0,1%. При использовании 12-разрядного РПП типа К155ИР17 точность увеличивается в 4 раза.

Структурная схема одного канала АЦП с фильтром нижних частот показана на рис.11. Фильтр нижних частот выполнен в виде двухкаскадного активного фильтра

Р исунок 11. Канал АЦП и фильтра МР сигнала.

с характеристикой Баттерворта, обеспечивающей меньшие частотно-фазовые искажения, чем другие характеристики (например, Чебышева). Изменения полосы пропускания фильтра осуществляется коммутацией элементов R, C аналоговым коммутатором.

Передаточная характеристика одного каскада ФНЧ имеет вид

K(j) = ,

т.е. каскад является звеном второго порядка, а фильтр в целом имеет четвертый порядок. Обычно число полос пропускания фильтра выбирают так, чтобы обеспечить их взаимное перекрытие в диапазоне от –f_{см.макс} до +f_{см.макс}. Например, если частота смещения изменяется в пределах 8 кГц относительно f₀, что соответствует максимальным расстояниям выбираемого слоя от центра магнита, то максимальная ширина полосы фильтра будет равна 16 кГц. При этом ее удобно изменять с шагом 1 кГц.

С выхода фильтра сигнал поступает на устройство выборки-хранения (УВХ), где запоминается его дискретный отсчет на время преобразования АЦП. Цифровые данные каналов U и V через мультиплексор контроллера крейта передаются в ЭВМ. Над этими данными выполняются преобразования Фурье и определяются амплитуды и фазы отдельных гармоник:

и .

Современные средства электроники позволяют уменьшить размеры этого блока и одновременно улучшить его характеристики. Можно, например, использовать 12 – 16-разрядные быстродействующие АЦП зарубежных фирм, а вместо аналоговых фильтров, дискретность и избирательность которых не всегда удовлетворяют разработчиков, - специальные сигнальные процессоры. Например, на базе микросхемы MCS 296 можно построить цифровой фильтр практически с любой характеристикой.

Блоки выбора слоя и программатора уровней находятся в стадии непрерывного развития и совершенствования. При их разработке возможно много альтернативных решений, и главной задачей является выбор оптимальной конфигурации. Для выбора слоя необходима достаточная точность формирования квадратурных сигналов смещения частоты f₀ и огибающей РЧ импульса и в то же время возможность их плавного регулирования. Поэтому обычно применяют смешанные аналого-цифровые способы формирования этих сигналов, например, функции квадратурных сигналов (синус и косинус) и огибающих хранят в ПЗУ, а управление их частотой и амплитудой осуществляют с помощью аналоговых сигналов – уровней.