一种基于PID调节和PWM技术的MRI B0场补偿放大器

技术领域

本发明涉及一种基于PID调节和PWM技术的MRI B0场补偿放大器，属于医疗设备中的功率放大器技术领域。

背景技术

功率放大器是将输入参考信号放大为所需要信号的设备，所需要的信号可以是电流信号，也可以是电压信号；功率放大器的两个基本要求：一是输出信号变化能与输入喜好的变化一致；二是整个功率放大器的损耗低。

功率放大器一般分为A类、B类、AB类以及D类放大器，AB类以较小的失真度在音频领域应用较为广泛，而D类以效率高，在便携式音频设备、电机等工控领域中得到广泛应用。在磁共振成像系统中由于B0涡流的存在，磁共振成像系统的成像效果将会受到严重影响，故需要B0放大器对信号进行补偿，提高成像质量。由于D类放大器的高效率，其在磁共振系统中也得到应用，比如磁共振系统中的梯度放大器就是D类放大器。市面上功率放大器虽然应用普及，但是在磁共振成像系统中的B0场补偿上，却难以得到应用。磁共振成像系统的B0场补偿线圈感抗较大，不同线圈又有一定的差异性，所以一般的放大器很难适应其负载范围，从而出现自激振荡现象，导致放大器的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种负反馈增益适当，使系统工作更加稳定、负载匹配范围宽阔、输出响应速度快、补偿放大效率高的基于PID调节和PWM技术的MRI B0场补偿放大器

本发明的一种基于PID调节和PWM技术的MRI B0场补偿放大器，其采用的技术手段有：放大滤波、负反馈、PID频响调节、正反馈、PWM调制、基于FPGA的PWM波形整形、隔离驱动技术、信号放大、信号滤波还原、电流采样、电流监控、过流保护等。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括正负电源模块、补偿放大电路板，所述正负电源模块输入由交流电源提供，适合于世界上所有国家的电网电压；所述补偿放大电路板包括放大滤波电路模块、负反馈加法器、PID调节电路模块、放大滤波电路模块、正反馈加法器、PWM调制模块、FPGA整形模块、隔离驱动、H桥、电流采样模块，并设置有电源输入接口、信号输入接口、信号输出接口、时钟输入接口、时钟输出接口、输出使能控制接口、复位控制接口。所述正负电源模块通过电缆连接补偿放大板的电源输入接口；所述补偿放大板的信号输入接口外端连接信号输入设备（在磁共振系统中应用时，连接至谱仪的B0输出），内部通过传输线路依次连接至放大滤波电路模块、负反馈加法器、PID调节电路模块、放大滤波电路模块、正反馈加法器、PWM调制模块、FPGA整形模块、隔离驱动、H桥、电流采样模块以及输出端口；所述补偿放大板的信号输出端口外部连接至磁共振系统的B0补偿线圈；所述补偿放大板的时钟输入输出接口内部通过电平转换模块连接至FPGA整形模块，输入接口外部连接至时钟源，输出接口外部连接至其他放大器，实现相关设备的时钟同步；所述时钟选择接口内部连接至FPGA整形模块，外部连接至控制设备或者选择开关，实现时钟选择功能；所述补偿放大板输出使能控制接口内部连接至FPGA整形模块，外部连接至控制设备或者控制按钮，实现禁止输出；所述补偿放大板复位控制接口内部连接至FPGA整形模块，外部连接至控制设备或者控制按钮，实现错误或者告警消除。

本发明的核心技术手段如下：

1、负反馈方式，反馈增益需要适当，使系统工作更加稳定；

2、PID调节环节，根据负载范围选择适当的电路参数，在实际使用此放大器时，调节可调电阻，使电路整体的频响满足预期指标；

3、正反馈方式，正反馈前级电路可以采用高通滤波方式，也可以采用微分方式。

本发明具有以下优点：

负反馈方式，反馈增益需要适当，使系统工作更加稳定； PID调节，使补偿放大器的负载匹配范围更加宽阔；解决了普通放大器适配范围小、当不匹配负载范围时出现自激的缺点；能从一定程度上使输出响应速度加快，以避免因负载感性过大，导致输出响应速度过慢；由于采用了PWM开关方式，补偿放大器的效率可达到约90%，解决了普通放大器效率低缺点。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图。

具体实施方式

实施例：

以下通过实施例并结合附图对本发明的结构进行详细的描述。

如附图1所示，本发明至少包括：放大滤波增益调节模块2、PID调节模块4、加法器模块3、6、PWM调制模块7、三角波生成模块8、FPGA整形模块22、隔离驱动模块17、信号放大模块（即H桥模块）18、滤波还原模块19、电流采样模块20、电流监控模块12、过流保护模块11、外部时钟输入接口9、时钟选择接口10、输出使能模块14、复位接口16、正反馈模块15、负反馈模块13。

输入信号从补偿放大板的信号输入接口1进入，经放大滤波增益调节电路模块2进入加法器3，电流采样信号经负反馈模块13进入加法器3，在此处采用深度负反馈，加法器3输出再分为三路，分别进入PID调节模块4的比例（P）环节、积分（I）环节、微分（D）环节，按照1:1:1的比例在加法器6相加后，再经过放大滤波模块6按一定比例放大滤波；电流采样信号经正反馈模块15按照一定的比例在加法器模块6相加后进入脉宽调制（PWM）电路模块7，再经FPGA整形模块22整形，设置死区时间，通过隔离驱动电路17，把信号传输至H桥模块18，经H桥模块信号放大后；信号进入滤波还原电路模块19，滤波电路采用两级滤波器，第一级为经典的两个电感及两个电容的共模滤波器，第二级采用共模电感及对保护地电容，以及RC滤波电路。电流采样模块20串接到输出端21与滤波模块19之间，电流采样模块20采用高精度、低温票采样电阻对电流信号进行采样，分为三路，一路经负反馈模块13进入输入端加法器3，一路经正反馈模块15与PID调节后的信号在加法器6相加，一路作为电流波形监控经电流监控模块12输出，并经过过流保护电路模块11进入FPGA控制输出；外部时钟接口9可以输入外部时钟，通过时钟选择开关10选择内部时钟或者外部时钟，FPGA模块22做出选择之后，将时钟信号传输至三角波生成电路模块8，进而控制PWM调制模块7。

上述各实施例仅是为了说明本发明而列举，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等效变换或个别部件的修改，均不应排除在本发明的保护范围之外。