一种多通道高精密电流源及其工作方法与流程

本发明属于核磁共振技术领域，更具体地，涉及一种用于核磁共振波谱仪的多通道高精密电流源及其工作方法。

背景技术：

核磁共振波谱仪要求超导磁体的磁场在测量区域的非均匀性小于主磁场的10^-9，为了达到该要求，常使用20-40组的相互正交的线圈，并使用匀场电流源向这些线圈施加适当的电流，使各组线圈产生相互正交的、大小可通过电流控制的磁场，以抵消各个方向的非均匀磁场。

客观上而言，匀场电流源需要满足以下要求：

1)可提供尽可能多的电流路数，以满足多组线圈的驱动要求，优先地，要求达到40组电流输出；

2)每组电流源输出的电流大小可以单独地进行控制，以分别调节各个线圈产生的磁场大小；

3)每组电流的调节精度尽可能地高，以精细的调节电流的大小，实现精细匀场，优选地，要求电流控制精度高于20bit；

4)每组输出的电流需保持稳定，不随温度、时间的变化出现飘移、突变等，以使各组线圈产生的校正磁场保持恒定；

5)每组输出的电流需与设定值相同，需消除电流源常见的偏置。

现有的匀场电流源通常采用控制器来控制多片16位(bit)精度数模转换器(digital-analogconverter，简称dac)，每片dac具有1～4个输出通道，每个通道驱动一个由运算放大器、三极管等组成的v/i转换电路将dac输出的电压值转换为输出电流。但v/i转换电路存在天然的偏置，使得实际输出电流与设定电流之间存在偏差。为了消除偏置电流，通过仪表手动逐个测量每路电流源输出的静态电流，将该值转换为对应的dac设置值(即偏置值)，并在设置对应通道的dac配置值时将相应的偏置值扣除。

然而，现有的匀场电流源存在一些不可忽略的技术缺陷：

(1)16位精度不满足核磁共振波谱仪对高精度电流控制的要求，特别是当输出电流>1a时，调节精度仅能达到30ua；

(2)由1～4路dac和由运算放大器、三极管等组成的v/i转换电路体积庞大，在组建40组电流源时，需要占用很大的空间；

(3)电流源使用的元器件存在不同的输出偏置，导致各路电流源输出电流均存在不等的偏置电流，并且偏置电流会随器件老化等因素而变化，通过手动测量静态电流并记录对应配置值的方法在实际运行中不能准确并实时地反映偏置电流的变化情况，实际输出的电流与设定的电流之间总存在不等的偏差；

(4)各路电流源输出的电流受使用的元器件的温度系数的影响，实际输出的电流会逐渐飘移，工作一段时间后实际输出电流与最初的设定电流偏离越来越大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于核磁共振波谱仪的多通道高精密电流源及其工作方法，其目的在于，解决现有匀场电流源存在的不满足核磁共振波谱仪对高精度电流控制的高分辨率要求的技术问题，以及占用较大空间的技术问题，以及由于各个元器件存在不同的输出偏置，各路电流源实际输出的电流与设定电流之间存在不同的偏差的技术问题，以及在工作一段时间后由于各个元器件的温度飘移特性，各路电流源输出的电流会逐渐飘移的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道高精密电流源，包括控制器、多通道dac、多个v/i转换电路、多个负载检测电路、多通道adc、以及温度传感器，控制器与多通道dac电连接，多通道dac的两路输出与各个v/i转换电路电连接；

第i路v/i转换电路与第i路负载检测电路电连接，负载检测电路的数量n与v/i转换电路的数量相等，其中n为任意自然数且i∈[1，n]；

每个负载检测电路均与多通道adc的一路输入电连接；

多通道adc与控制器电连接，温度传感器与控制器电连接。

每一路v/i转换电路和对应的一路负载检测电路组成一路电流源，该电流源的输入是多通道dac的两路输出，该电流源的检测输出连接至多通道adc的一路输入。

优选地，多通道dac是一片或多片16位dac，每片dac与控制器单独相连，多通道dac总共有2n路输出；

多通道adc可以是一片或多片adc，其总共输入路数≧电流源路数n，每片adc与控制器1单独相连，每片adc的数字分辨率大于电流源的目标分辨率。

优选地，每个v/i转换电路包括多通道功率运放、第一电阻、第二电阻、以及第三电阻；

多通道dac的两路输出分别与第一电阻和第二电阻的一端电连接，第三电阻的一端、以及第一电阻和第二电阻的另一端与多通道功率运放的输入端电连接；

多通道功率运放通过负载检测电路与负载第三电阻的另一端电连接；

负载检测电路还与多通道adc的一路输入电连接；

多通道功率运放包括多个彼此独立设置的功率运放；

每个v/i转换电路使用多通道功率运放中的一个功率运放，即多通道功率运放被多路电流源共享。

优选地，负载检测电路包括采样电阻、负载、以及仪表放大器；

负载的输出端接地；

v/i转换电路的输出端通过采样电阻与负载的输入端电连接；

采样电阻与负载连接的一端与仪表放大器的负极电连接；

采样电阻与v/i转换电路连接的一端与仪表放大器的正极电连接；

仪表放大器的输出端作为负载检测电路的输出端。

优选地，负载检测电路包括采样电阻和负载；

采样电阻的一端接地，采样电阻的另一端与负载电连接；

采样电阻与负载连接的一端作为负载检测电路的输出端；

v/i转换电路的输出端与负载电连接；

优选地，控制器用于根据各路电流源的电流设置值控制多通道dac的各路输出电压，进而驱动每一路v/i转换电路输出与电流设置值成正比或反比的电流至负载，其中第i个v/i转换电路输出的电流为：

其中k1＝r1/r0，k2＝r2/r0，r0表示第三电阻34的阻值，r1表示第一电阻32的阻值，r2表示第二电阻33的阻值，rs表示采样电阻41的阻值，v1为多通道dac2第一路输出的电压；v2为多通道dac2第二路输出的电压，且有k1≥2⁶·k2。

优选地，多通道dac的精度为16位，多通道dac第一路输出电压控制电流源输出电流时的分辨率为：

ires1＝imax/2¹⁶

多通道dac第二路输出电压控制电流源输出电流时的分辨率为：

ires2＝imax/2^16+m

其中，imax为dac2第一路输出电压最大时v/i转换电路输出的电流，m为多通道dac第2*cnt1路输出的电压控制电流的精度比多通道dac第(2*cnt1-1)路输出的电压控制电流的精度高的位数。

优选地，多通道adc用于采集每路负载检测电路输出的电压，并对该电压进行模数转换，并将电压转换结果传送到控制器；

控制器还用于使用该电压转换结果与电流设置值进行比较，并调节多通道da两路输出的电压，进而调节电流源所输出的电流，并再次采集此时每路负载检测电路输出的电压转换结果，并将其再次与电流设置值进行比较，…，反复执行该过程，直到最终的电压转换结果与电流设置值相等为止。

优选地，温度传感器用于监测整个多通道高精密电流源的工作温度t，并将监测到的工作温度t发送给控制器；

控制器还用于根据工作温度查询预先设定的各路电流源的温度系数校正表获得工作温度t对应的温度校正系数，并使用温度校正系数计算各路电流源的电流设置值，该电流设置值被进一步用于调节各路电流源的输出电流，使得各路电流源输出电流的温度飘移被校正。

总体而言，通过本发明所构思的以上电流源与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、由于本发明使用dac的两路输出控制一路电流源，其通过将dac第二路输出控制电流的精度设为比dac第一路输出控制电流的精度高m位，使每路电流源的电流控制精度达到16+m位，因此其能够解决现有技术16位控制精度不满足核磁共振波谱仪高精度电流控制的要求的问题；

2、由于本发明的电流源使用单片包括多路彼此独立设置的高功率运算放大器，并使用单片包括多路输出的dac作为每路电流源的驱动输入、单片包括多路输入的adc采集每路电流源的监测输出，每路电流源分别使用每个dac的两路输出电压、每个高功率运算放大器中的一路高功率运算放大、每个多路输入adc的其中一路输入，并用一个高功率运算放大器替代运算放大器、三极管等多个搭建电流源的分立元器件，使电流源的体积缩小，因此其能够解决现有技术由1～4通道dac和由运算放大器、三极管组成的v/i转换电路体积庞大，设置40路电流源时，需要占用很大的空间的问题。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述多通道高精密电流源的工作方法，包括以下步骤：

(1)控制器设置计数器cnt1＝1；

(2)控制器设置计数器cnt2＝1；

(3)控制器控制温度传感器监测整个多通道高精密电流源的工作温度t，并在预先建立的温度系数校正表中查找第cnt1路电流源与工作温度t对应的温度校正系数a和b；

(4)控制器根据步骤(3)得到的温度校正系数a和b计算第cnt1路电流源的输出电流目标值：

d′set＝a·dset+b

其中dset表示预先设置的、第cnt1路电流源的输出电流配置值，dset的二进制数字位数与多通道adc的数字分辨率相同；

(5)控制器根据第cnt1路电流源的输出电流目标值计算多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压配置值d1、以及多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2：

d1＝int(d′set/2¹⁵)

d2＝[d′set-int(d′set/2¹⁵)]×2^m

其中int表示向下取整运算，m为多通道dac第2*cnt1路输出的电压控制电流的精度比多通道dac第(2*cnt1-1)路输出的电压控制电流的精度高的位数；

(6)控制器判断电压配置值d2的绝对值是否大于2¹⁵，如果是则进入步骤(7)，否则进入步骤(8)；

(7)控制器对步骤(5)得到的多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压配置值d1、以及多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2进行自更新操作：

d1＝d1+int(d2/2¹⁵)

d2≥0则d2＝d2-2¹⁵

d2<0则d2＝d2+2¹⁵

(8)控制器将多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压设置为电压配置值d1，并将多通道dac的第2*cnt1路输出的电压设置为电压配置值d2；

(9)控制器控制多通道adc采集第cnt1个负载检测电路输出的电压，并对该电压进行模数转换，并判断模数转换结果dout与输出电流目标值d′set之间的差值的绝对值是否小于预设阈值，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(10)；

(10)控制器设置cnt2＝cnt2+1，并判断cnt2是否小于预设的迭代阈值，如果是则进入步骤(11)，否则进入步骤(12)；

(11)控制器对多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2进行更新操作，并返回步骤(6)：

d2＝d2+dir×(dout-d′set)

式中，dir为预设的误差反馈的方向控制值，其值为1或-1。

(12)控制器设置cnt1＝cnt1+1，并判断cnt1是否大于负载检测电路的总数n，如果是则过程结束，否则返回步骤(2)。

总体而言，通过本发明所构思的以上工作方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、由于本发明的工作方法采用了步骤(6)到步骤(11)，通过高分辨adc采集每路电流源输出的电流监测值，并计算电流监测值与电流设定值之间的误差，并设置dac第一路输出或第二路输出以调整输出电流，并不断迭代，使电流监测值与电流设定值之间的误差小于阈值，其不断地调节各路电流源输出的电流，使各路电流源输出的电流与设定值相同，并保持恒定不变，因此其能够解决现有技术通过手动测量静态电流并记录对应配置值的方法在实际运行中不能准确并实时地反映偏置电流的变化情况，实际输出的电流与设定的电流之间总存在不等的偏差的问题；

2、由于本发明的工作方法采用了步骤(3)到步骤(11)，通过设置温度传感器监测整个系统的温度，并在控制器中存储电流源的温度系数表，控制器根据实时温度读取温度系数校正值，并使用温度系数校正值对各路电流源输出电流设置值进行温度校正，其使得各路电流源输出电流在不同的温度下均保持不变，因此其能够解决现有技术各路电流源输出的电流受使用的元器件的温度系数的影响，实际输出的电流会逐渐飘移，工作一段时间后实际输出电流与最初的设定电流偏离越来越大的问题。

附图说明

图1是本发明多通道高精密电流源的电路框图；

图2是本发明中v/i转换电路的细化电路框图；

图3是本发明中一种负载检测电路的电路框图；

图4是本发明中另一种负载检测电路的电路框图；

图5是本发明多通道高精密电流源的工作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基本思路在于，提供一种用于核磁共振波谱仪的多通道高精密电流源，其一方面使用16位精度dac的两路输出电压控制一路电流源，通过将dac第二路输出电压调节电流的精度设为比dac第一路输出电压调节电流的精度高至少6bit，使每路电流源的调节精度高于21bit；另一方面通过使用单片包括20-40路输出的dac、单片包括多路输出的高功率运算放大器、单片包括20-40路输入的adc组建电流源，即多路电流源共用一片dac、一片adc和一片高功率运算放大器，使电流源的体积缩小；再一方面通过设置高精密adc监测每路电流源输出的电流值，通过控制器计算各路电流源监测的电流值与电流设定值之间的误差，并调整dac第一路或第二路的输出电压，以调整输出电流，使输出电流与设定电流之间的误差小于设定的阈值；同时通过不间断地监测和调整各路电流源的输出电流，可以快速纠正输出电流的飘移，并消除因元器件特性变化、电源电压变化等引起的电流偏置；最后一方面设置温度传感器监测整个多通道高精密电流源的温度，并在控制器中存储各路电流源的温度校正系数表，控制器根据实时的温度读取温度校正系数，对输出电流设定值进行温度校正，以消除各路电流源输出电流因为温度变化而出现的飘移。

如图1所示，本发明提供了一种多通道高精密电流源，包括控制器1、多通道dac2、多个电压-电流(voltage-current，简称v/i)转换电路3、多个负载检测电路4、多通道adc5、温度传感器6。

控制器1与多通道dac2电连接，多通道dac2的两路输出与各个v/i转换电路3电连接，每路(即第i路)v/i转换电路3与每路(即第i路)负载检测电路4电连接，负载检测电路4的数量n与v/i转换电路3的数量相等，其中n为任意自然数且i∈[1，n]，每个负载检测电路4均与多通道adc5的一路输入电连接，多通道adc5与控制器1电连接，温度传感器6与控制器1电连接。

每一路v/i转换电路3和对应的一路负载检测电路4组成一路电流源，该电流源的输入是多通道dac2的两路输出，该电流源的检测输出连接至多通道adc5的一路输入。

需要注意的是，本发明中，多通道dac2可以是一片或多片16位dac，多通道dac2总共有2n路输出，每片dac与控制器1单独相连。

作为进一步优选的，在本实施例中，多通道dac2是包括一片集成40路输出的dac，dac的数字分辨率是16位。

需要注意的是，本发明中，多通道adc5可以是一片或多片adc，其总共输入路数≧电流源路数n，每片adc与控制器1单独相连，adc的数字分辨率大于电流源的目标分辨率。

作为进一步优选地，在本实施例中，多通道adc5包括三片adc，电流源的目标分辨率为20位，adc的数字分辨率为32位。

如图2所示，每个v/i转换电路3包括多通道功率运放31、第一电阻32、第二电阻33、以及第三电阻34。

多通道dac2的两路输出分别与第一电阻32和第二电阻33的一端电连接，第三电阻34的一端、以及第一电阻32和第二电阻33的另一端与多通道功率运放31的输入端电连接，多通道功率运放31通过负载检测电路4与负载第三电阻34的另一端电连接，负载检测电路4还与多通道adc5的一路输入电连接。

需要注意的是，在本发明中，一片多通道功率运放31包括多个彼此独立设置的功率运放，每个v/i转换电路3使用多通道功率运放31中的一个功率运放，即多通道功率运放31被多路电流源共享。

作为进一步优选地，在本实施例中，多通道功率运放31包括两个功率运放。

如图3所示，根据一种实施方式，本发明的负载检测电路4包括采样电阻41、负载42、以及仪表放大器43，负载42的输出端接地，v/i转换电路3的输出端通过采样电阻41与负载42的输入端电连接，采样电阻41与负载42连接的一端与仪表放大器43的负极电连接，采样电阻41与v/i转换电路3连接的一端与仪表放大器43的正极电连接，仪表放大器43的输出端作为负载检测电路4的输出端。

如图4所示，根据另一种实施方式，本发明的负载检测电路4包括采样电阻41和负载42，采样电阻41的一端接地，采样电阻41的另一端与负载42电连接，采样电阻41与负载42连接的一端作为负载检测电路4的输出端，v/i转换电路3的输出端与负载42电连接。

需要注意的是，在本实施方式中，负载42是匀场线圈。

需要注意的是，本发明中，针对所有负载检测电路而言，其所包括的采样电阻41的阻值大小可以是不同的，也可以是相同的，负载42的阻值也是如此。

本发明中，针对所有v/i转换电路而言，其所包括的第一电阻32的阻值大小可以是不同的，也可以是相同的，第二电阻33和第三电阻34也是如此。

在本实施方式中，第一电阻32的阻值为20kω；

第二电阻33的阻值大于等于1.28mω；

第三电阻34的阻值为1kω；

采样电阻41的阻值范围是0.1ω到10ω；

负载42的阻值范围是1ω到300ω。

控制器1根据各路电流源的电流设置值控制多通道dac2的各路输出电压，进而驱动每一路v/i转换电路输出与电流设置值成正比或反比的电流至负载42。

具体地，第i个v/i转换电路输出的电流为：

式中：k1＝r1/r0，k2＝r2/r0，其中r0表示第三电阻34的阻值，r1表示第一电阻32的阻值，r2表示第二电阻33的阻值，rs表示采样电阻41的阻值，v1为多通道dac2第一路输出的电压；v2为多通道dac2第二路输出的电压。

其中，k1≥2⁶·k2，这样做的目的，是使多通道dac2第二路输出电压控制电流ii的精度，比多通道dac2第一路输出电压控制电流ii的精度高至少m位(即2^m倍)。

需要注意的是，在本发明中，多通道dac2的精度为16位，多通道dac2第一路输出电压控制电流源输出电流时的分辨率为：

ires1＝imax/2¹⁶

多通道dac2第二路输出电压控制电流源输出电流时的分辨率为：

ires2＝imax/2^16+m

其中，imax为dac2第一路输出电压最大时v/i转换电路输出的电流。由dac2第一路输出电压和dac2第二路输出电压共同控制的电流源输出的电流精度为16+m位(含方向控制位)。

在本实施例中，m＝6，电流源输出的电流精度为22位。

多通道adc5用于采集每路负载检测电路4输出的电压，并对该电压进行模数转换，并将电压转换结果传送到控制器1，控制器1使用该电压转换结果与电流设置值进行比较，并调节多通道dac2两路输出的电压，进而调节电流源所输出的电流(其就是基于以上公式)，并再次采集此时每路负载检测电路4输出的电压转换结果，并将其再次与电流设置值进行比较，…，反复执行该过程，直到最终的电压转换结果与电流设置值相等为止(或电压转换结果与电流设置值之间的误差小于阈值)。

温度传感器6用于监测整个多通道高精密电流源的工作温度t，并将监测到的工作温度t发送给控制器1，控制器1根据工作温度查询预先设定的各路电流源的温度系数校正表获得工作温度t对应的温度校正系数，并使用温度校正系数计算各路电流源的电流设置值，该电流设置值被进一步用于调节各路电流源的输出电流(其就是基于以上公式)，使得各路电流源输出电流的温度飘移被校正。

在本实施例中，温度系数校正表是根据以下过程建立的：

(1)将每一路电流源的输出设定为固定的电流输出；

(2)将每一路电流源置于一稳定可调节的温度环境中；

(3)记录环境温度值和每一路电流源输出电流值；

(4)改变环境温度，并记录新的环境温度值和每一路电流源输出的电流值，直到环境温度覆盖所有工作温度范围；

(5)作每一路电流源输出电流与环境温度之间的线性拟合曲线，并记拟合公式中的比例系数a和偏移系数b为电流源的温度校正系数表。

如图5所示，本发明还提供了上述多通道高精密电流源的工作方法，包括以下步骤：

(1)控制器设置计数器cnt1＝1；

(2)控制器设置计数器cnt2＝1；

(3)控制器控制温度传感器监测整个多通道高精密电流源的工作温度t，并在预先建立的温度系数校正表中查找第cnt1路电流源与工作温度t对应的温度校正系数a和b；

(4)控制器根据步骤(3)得到的温度校正系数a和b计算第cnt1路电流源的输出电流目标值：

d′seh＝a·dset+b

其中dset表示预先设置的、第cnt1路电流源的输出电流配置值，dset的二进制数字位数与多通道adc的数字分辨率相同；

在本实施例中，dset的二进制数字位数为32位。

(5)控制器根据第cnt1路电流源的输出电流目标值计算多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压配置值d1、以及多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2：

d1＝int(d′set/2¹⁵)

d2＝[d′set-int(d′set/2¹⁵)]×2^m

其中int表示向下取整运算，m为多通道dac第2*cnt1路输出的电压控制电流的精度比多通道dac第(2*cnt1-1)路输出的电压控制电流的精度高的位数，在本实施例中，m＝6；

(6)控制器判断电压配置值d2的绝对值是否大于2¹⁵，如果是则进入步骤(7)，否则进入步骤(8)；

(7)控制器对步骤(5)得到的多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压配置值d1、以及多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2进行自更新操作：

d1＝d1+int(d2/2¹⁵)

d2≥0则d2＝d2-2¹⁵

d2<0则d2＝d2+2¹⁵

(8)控制器将多通道dac的第(2*cnt1-1)路输出的电压设置为电压配置值d1，并将多通道dac的第2*cnt1路输出的电压设置为电压配置值d2；

需要注意的是，如果是从步骤(7)跳转进入步骤(8)，则电压配置值d1是步骤(7)自更新后的电压配置值d1，电压配置值d2是步骤(7)自更新后的电压配置值d2。

(9)控制器控制多通道adc采集第cnt1个负载检测电路输出的电压，并对该电压进行模数转换，并判断模数转换结果dout与输出电流目标值d′set之间的差值的绝对值是否小于预设阈值，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(10)；

具体而言，预设阈值是小于2048(2¹¹)的正整数，优选为1024。

(10)控制器设置cnt2＝cnt2+1，并判断cnt2是否小于预设的迭代阈值，如果是则进入步骤(11)，否则进入步骤(12)；

具体而言，本步骤中的迭代阈值取值范围是1到10之间的整数，优选为10。

(11)控制器对多通道dac第2*cnt1路输出的电压配置值d2进行更新操作，并返回步骤(6)：

d2＝d2+dir×(dout-d′set)

式中，dir为预设的误差反馈的方向控制值，其值为1或-1。

(12)控制器设置cnt1＝cnt1+1，并判断cnt1是否大于负载检测电路的总数n，如果是则过程结束，否则返回步骤(2)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。