基于DSP的动态匀场放大器研究

摘要

磁共振成像(MRI)是现代医学中最重要的影像诊断方法之一。匀场单元是提高MRI主磁场均匀性，进而提高图像分辨率的重要部件。匀场单元包括匀场放大器和匀场线圈，匀场放大器为匀场线圈提供驱动能量。
　　目前，国内外市场上以1.5T的MRI系统为主，其匀场放大器是静态匀场放大器，不能在扫描过程中实时地对局部高阶磁场进行补偿。随着磁共振设备往高场(3.0T以上)方向发展，局部高阶磁场的畸变使磁共振成像的伪影变得越来越严重，市场上已有的静态匀场放大器由于不能同时满足高响应速度、高精度和低纹波的苛刻要求，无法对这种伪影进行有效的抑制。本论文正是抓住这一机遇，提出了一套动态匀场放大器的设计方法，并设计了一款动态匀场放大器，以便满足高场的应用，同时也为后续更深入的研究设计奠定基础。
　　本论文通过对比研究的方法对功率拓扑结构和PWM算法进行研究，确定了满足应用的功率级拓扑及其对应的高效PWM算法。另外，由于动态匀场放大器对稳态精度和纹波要求非常苛刻，本论文还采用噪声分析的方法对反馈电路进行分析设计，并为功率级输出设计滤波器，以便达到性能的要求。本论文设计的动态匀场放大器是全数字式的，其硬件部分包括 DSP控制板以及功率板。该匀场放大器以TI公司具有高分辨率PWM模块的TMS320F2808 DSP作为主控芯片，并通过外拓高精度ADC来实现全数字式的设计。相比于西门子已有的采用模拟器件搭建的静态匀场放大器，数字动态匀场放大器具有高抗干扰性和高可重复性等优点。
　　经过理论与实验的反复验证和优化，并采用正确的测试方法，本论文最终完成了数字动态匀场放大器的设计。实验结果表明该动态匀场放大器的响应时间达到了0.5ms左右，相比原来静态匀场放大器120ms的响应时间，其响应速度提高了200百倍以上，且其稳态精度和电流纹波率均满足小于0.1％的要求，能基本满足高场MRI的应用。

目录

基于DSP的动态匀场放大器研究

A DSP BEASED DYNAMIC SHIM POWER AMPLIFIER

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 MRI基本原理

1.3 MRI系统组成

1.4 MRI匀场原理及现状

1.5 本文主要工作

第2章 匀场放大器分析设计

2.1 匀场放大器各项参数分析

2.2 功率放大器比较

2.3 主电路拓扑结构

2.4 PWM控制策略

2.4.1 PWM技术

2.4.2 普通单极性和双极性PWM比较

2.4.3 BD调制PWM策略

2.5 本章小结

第3章 反馈通道设计

3.1 噪声计算统计学基础

3.2 常见噪声的模型

3.3 运放噪声计算

3.4 反馈通道设计

3.4.1 反馈电路设计

3.4.2 差分运放电路噪声分析

3.4.3 ADC前端电路噪声分析

3.5 本章小结

第4章 系统硬件设计

4.1 电源电路设计

4.2 DSP单元电路设计

4.3 驱动电路与主电路设计

4.4 反馈电路与保护电路设计

4.5 本章小结

第5章 实验与结果

5.1 约束条件

5.2 软件设计

5.2.1 控制器设计

5.2.2 软件设计

5.3 仿真和实验

5.3.1 仿真

5.3.2 实验

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢