Система электронного управления магнитно-резонансного томографа (стр. 4 из 5)
 |
Для запуска интегратора по специальной команде размыкается ключ S1 и начинается заряд конденсатора С1. При положительном UF на выходе DA1 будет отрицательное линейно-изменяющееся напряжение (ЛИН), а при отрицательном UF – положительное ЛИН. Сброс интегратора производится с помощью компараторов К1, К2 и одновибраторов ОВ1, ОВ2. При этом замыкается ключ S2 ( S3), и конденсатор С2 (С3), предварительно заряженный от источника +Uоп1 (-Uоп1) разряжает конденсатор С1. Таким образом, формируется пилообразное напряжение. Его частота определяется формулой
, 
= R1C1.Импульсы одновибраторов тактируют реверсивный счетчик, причем при отрицательном UF, работает ОВ1, и счетчик считает в прямом направлении, а при положительном – ОВ2, и счетчик считает в обратном направлении. Его цифровые данные служат младшими адресами для ПЗУ, в которых хранятся функции синуса и косинуса. Эти функции могут иметь группы с различными фазами. Для выбора группы с требуемой фазой служат дополнительные старшие разряды адреса, задаваемые извне. На схеме показано два таких разряда, т.е. предполагается, что в ПЗУ имеется 4 группы функций с разными фазами. Таким образом, каждая группа состоит из 256 отсчетов. Это означает, что при максимальной частоте смещения 8 кГц частота тактовых импульсов, т.е. частота пилообразного напряжения, будет равна 8×256 = 2048 кГц. Изменение знака UF и реверс счетчика приводят к изменению и знака частоты смешения.
Чтобы лучше понять, как формируются квадратурные функции с частотой смещения, кратко рассмотрим устройство и принцип действия так называемого перемножающего ЦАП К572ПА1, который здесь используется (читатели, знакомые с этой микросхемой могут пропустить это описание). Основу микросхемы К572ПА1 составляют резистивная матрица R-2R и коммутирующие ключи (рис.13). Благодаря выбору соотношения резисторов матрицы R-2R ток источника опорного напряжения убывает в 2 раза в резисторах 2R по мере приближения к операционному усилителю.
Рисунок 13. Перемножающий ЦАП типа К572ПА1.
Эти токи суммируются в резисторе обратной связи R0. В зависимости от положения ключей S9…S0 ячейки матрицы вносят или не вносят свой вклад в общий выходной сигнал, который определяется выражением
, (2)где n – разрядность ЦАП, Qi – бит (0 или 1 в зависимости от положения ключа). Величина R0 обычно равна R.
Так как ключи, управляющие резистивной матрицей – транзисторы типа КМОП, то полярность опорного напряжения Uоп может быть любой. Более того, это напряжение может изменяться одновременно с цифровым кодом. Тогда, как видно из формулы (2), выходное напряжение будет пропорционально произведению числа, эквивалентного цифровому коду, и опорного напряжения. Поэтому ЦАП такого типа называют перемножающим (или умножающим). На его основе можно строить функциональные преобразователи, например, амплитудные модуляторы и др.
Так как этот ЦАП (как, впрочем, и другие) «не понимает» знака цифрового кода, то величины синусов и косинусов в ПЗУ приходится хранить смещенными на 1, т.е. в виде cosx +1 и sinx +1. В действительности единица означает просто половину максимального числа, хранимого в ПЗУ. Если, например, числа – восьмиразрядные слова, то максимальное число равно 255, а половина его –128 (или 10000000 в двоичном коде). В связи с таким представлением функций косинуса и синуса при выводе их в виде напряжений приходится смещать постоянную составляющую. Это делается с помощью сумматоров на операционных усилителях. Таких сумматоров два. Оба они объединяют сигналы и косинуса и синуса. В результате получаются квазигармонические квадратурные функции cos(wсмt+j) и sin(wсмt+j). Смещение постоянной составляющей осуществляется двумя способами: у ЦАП2 и ЦАП3 - с помощью постоянного напряжения Uоп3, которое их же и питает, а у ЦАП1 и ЦАП4 - импульсным способом. Он заключается в том, что на вход опорного напряжения (Ref) и на вход соответствующего сумматора подается одно и то же пилообразное напряжение. В ЦАП1 и ЦАП4 пилообразный сигнал перемножается с функцией синуса или косинуса и таким образом получается пилообразное напряжение, модулированное по закону синуса или косинуса. Операционный усилитель ЦАП инвертирует полярность произведения этих двух функций.
Преобразования, выполняемые над функциями цифро-аналоговыми преобразо-вателями и сумматорами, удобно представить в виде условной стуктурно-алгоритмической схемы, приведенной на рис.14. В ней учитывается инверсия функций операционными усилителями ЦАП и сумматорами. Опорное напряжение Uоп3, подаваемое на сумматоры для компенсации постоянных составляющих, условно обозначены как «+1». Пилообразному напряжению соответствует функция kt.
На рис 15 показано, как происходит компенсация постоянной составляющей на выходе ЦАП1, обусловленная смещением функции синуса. Эпюры 1, 2, 3 соответствуют напряжению на выходе ЦАП1, пилообразному напряжению на его входе Ref и синусной составляющей на выходе сумматора. Так как среднее за период значение пилообразной функции равно половине ее амплитуды, то после НЧ фильтрации, которая может быть выполнена в самом сумматоре, амплитуда синусоиды на его выходе будет в 2 раза меньше амплитуды функции, хранящейся в ПЗУ. Аналогично обстоит дело и с косинусоидой на выходе второго сумматора.
Таким образом, сигналы на выходах сумматоров условно можно представить в где
и u2 = 
. 
 |
Рисунок 15. Компенсация постоянной составляющей функции синуса.
Из векторных диаграмм, приведенных на рис.16, видно, что векторы напряжений u1 и u2 ортогональны.
 |
Рисунок 16. Векторы
Чтобы не утомлять читателя, блоки программатора уровней и программатора импульсов рассмотрим кратко.
Программатор уровней поставляет постоянные напряжения и относительно длинные импульсы в различные блоки, большинство из которых уже встречались. Напомним еще раз, какие это сигналы: прежде всего, градиентные импульсы Gx, Gy, Gz; напряжение UF, управляющее частотой смещения; уровень напряжения, определяющий амплитуду огибающей РЧ импульса; напряжение, управляющее коэффициентом усиления МР сигнала и некоторые другие. Уровни и полярность этих сигналов устанавливаются с помощью ЦАП, управляемых цифровыми данными, поступающими из ОЗУ. Данные в ОЗУ засылаются из ЭВМ по мере выполнения программы.
Программатор импульсов отвечает за выполнение команд ЭВМ, передаваемых через контроллер крейта. Как правило, после загрузки команд и данных работа этого блока протекает автономно. Для этого он снабжен собственным генератором тактовых импульсов. В блоке имеются ОЗУ длительностей и счетчик интервалов, ОЗУ команд, счетчик циклов последовательностей, устройство изменения масштаба времени интервалов (мс/мкс), делители частоты.
При разработке этих блоков обычно используют известные решения и стандартные, хорошо зарекомендовавшие себя, микросхемы. Однако на их слишком глубокое внедрение рассчитывать не приходится, так как МР томографы – очень «аналоговые» системы, и кроме того, они не настолько унифицированы, как УЗ сканеры.
Энергетическая установка и система охлаждения играют важную роль в работе МР томографа с резистивным магнитом. В особенно сложных условиях работает источник питания основного магнита. Он должен вырабатывать ток в сотни ампер при очень высокой стабильности (10-6) и малых пульсациях. Поэтому здесь применяется двухконтурное регулирование – в цепи постоянного и переменного тока. Первичным источником, разумеется, является трехфазная сеть. Структурная схема источника питания главного магнита (одна фаза) показана на рис.17.
В качестве датчика тока служит шунтовое сопротивление Rш, включенное в цепь тока главного магнита. Падение напряжения на нем является сигналом обратной связи. Это напряжение поступает на электронный регулятор и на усилитель, где сравнивается с напряжениями эталонных источников. При отклонении тока от заданной величины электронный стабилизатор стремится восстановить его прежнее значение. Кроме того, на выходе усилителя появляется сигнал рассогласования, который воздействует на дроссель насыщения и изменяет его сопротивление переменному току, что тоже способствует стабилизации тока магнита. Подобный способ регулирования нам уже знаком по рентгеновским аппаратам.
 |
Рисунок 17. Источник питания главного магнита.
Точность стабилизации во многом зависит от шунта. Для исключения влияния помех падение напряжения на нем должно быть достаточно большим – около вольта. Но это означает, что при токе магнита 200 А на шунте будет выделяться мощность около 200 Вт. Сопротивление шунта при этом должно равняться примерно 0,005 Ом. Понятно, что такая большая мощность приведет к выделению значительного тепла, которое нужно отводить. Универсальным средством для охлаждения силовых узлов в МР томографе с резистивным магнитом является вода. Она охлаждает не только обмотку магнита, но попутно и радиаторы силовых полупроводниковых приборов электронного стабилизатора и выпрямителя, а также шунт. Для этого шунт делают в виде коробки, через которую протекает проточная вода (см. рис.17). Благодаря интенсивному охлаждению удается поддерживать постоянство сопротивления шунта.