李燦，宋懿花，周作建

（南京中醫(yī)藥大學(xué)人工智能與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210023）

近年來，磁場(chǎng)作為一種常見的物理因子引起了人們的廣泛關(guān)注。雖然某些情況下環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)人體具有一定的危害[1-2]，但人們也認(rèn)識(shí)到外加磁場(chǎng)可能對(duì)部分疾病的治療作用。通常來講，將頻率低于300 kHz 的磁場(chǎng)稱為低頻磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)作為一種常用的、經(jīng)濟(jì)的、安全的、無創(chuàng)的物理因子治療手段，能夠顯著改善缺鐵性貧血[3]。此外，在10 mT、20 mT和30 mT 的工頻電磁場(chǎng)作用下，HT22 細(xì)胞的增殖得到促進(jìn)[4]。頻率為5 Hz、場(chǎng)強(qiáng)為1 mT 的磁場(chǎng)會(huì)使免疫力低下小鼠的免疫功能增強(qiáng)；暴露于磁場(chǎng)頻率為60 Hz、場(chǎng)強(qiáng)為1.1 mT 的環(huán)境中時(shí)，鼠上皮細(xì)胞JB6 在10～14 天時(shí)間的生長(zhǎng)速度加快；與對(duì)照組相比，暴露于場(chǎng)強(qiáng)為1～13 mT 磁場(chǎng)中的鯉魚（Cyprinuscarpio）、鮭魚（Salmotrutta）、虹鱒魚（Oncorhynchusmykiss）胚胎孵化的魚苗更長(zhǎng)、更重、能動(dòng)性更強(qiáng)，且心臟節(jié)律增強(qiáng)、呼吸強(qiáng)度增加，尤其是在早期形成心臟的脈動(dòng)時(shí)期，氣體交換增加，這一現(xiàn)象在器官形成階段更加顯著[5]。以上研究表明，低頻交變磁場(chǎng)可能對(duì)疾病的治療具有一定的促進(jìn)作用。基于此，該文介紹了一種用于生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的低頻交變磁場(chǎng)發(fā)生器。

常見的實(shí)驗(yàn)用磁場(chǎng)儀器的輸入信號(hào)有正弦波、方波和三角波，而能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生明顯影響的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍一般在0.1～200 mT。因此將設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)定為0～200 mT，頻率0～1 kHz。該儀器主要為探索性生物學(xué)實(shí)驗(yàn)而研制，因此，把驅(qū)動(dòng)波形設(shè)定為正弦波、方波和三角波，通過參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)置驅(qū)動(dòng)波形、占空比、幅度和頻率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置主要由電源電路、信號(hào)產(chǎn)生電路、功率放大電路以及勵(lì)磁線圈所組成。圖1 為設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)框圖。使用時(shí)根據(jù)需要設(shè)定各種參數(shù)，MCU 控制信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生特定頻率和幅度的波形信號(hào)，輸入功率放大電路進(jìn)行信號(hào)的放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源采用定制的300 W 功率變壓器，將220 V 轉(zhuǎn)化為±22 V 和±14 V。

輸出的±22 V交流電壓通過整流橋變?yōu)橹绷?。輸出的交流電壓?4 V 經(jīng)過1 A 小整流橋及50 V/2 200 μF的電容整流后得到±14 V 的直流電壓。+14 V 的直流電壓經(jīng)過LM7805 穩(wěn)壓后產(chǎn)生+5 V 的電壓，而-14 V電壓經(jīng)過LM7905 穩(wěn)壓后則產(chǎn)生-5 V 的電壓。

1.1 波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)

作為maxim 公司生產(chǎn)的精密高頻波形發(fā)生器。max038 通過結(jié)合少量外部元件，加之適當(dāng)?shù)目刂茥l件，即可輸出多種周期信號(hào)波形，如正弦波、方波、三角波等信號(hào)[6-7]。輸出信號(hào)的峰值可在2 V 左右，頻率可在0.1 Hz～20 MHz 連續(xù)可調(diào)。其中，方波的占空比在10%～90%連續(xù)可調(diào)[8-10]。所設(shè)計(jì)的波形發(fā)生電路如圖2 所示。

圖2 max038波形發(fā)生電路圖

1）波形選擇

該部分電路為信號(hào)產(chǎn)生電路，通過max038 加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼?shí)現(xiàn)。可輸出的波形為正弦波、方波和三角波。通過設(shè)定max038 的地址控制端A0 和A1的值控制實(shí)際輸出的波形，max038 的波形選擇功能如表1 所示。

表1 max038的波形輸出參數(shù)控制

以上波形可通過程序控制隨時(shí)進(jìn)行切換。

2）輸出頻率調(diào)整

輸出頻率的調(diào)節(jié)由粗調(diào)和細(xì)調(diào)進(jìn)行精確控制，主要由max038 芯片的引腳10、引腳8 的端電壓UFADJ以及引腳5 的主振蕩器外接電容CF共同實(shí)現(xiàn)。電阻R1實(shí)現(xiàn)頻率的粗調(diào)，確定頻段的中心頻率。而Rx為微調(diào)電位器，由電位器Rx和電阻R4、R5完成，通過改變8 引腳FADJ 的數(shù)值，使輸出頻率有所變化。具體調(diào)節(jié)規(guī)律如下：

①UFADJ=0 時(shí)，輸出頻率f0=Iin/CF，Iin=Uin/Rin=2.5/Rin；

②UFADJ≠0 時(shí)，輸出頻率f=f0(1-0.291 5UFADJ)。

Iin在10～400 A 范圍內(nèi)變化時(shí)，電路可以獲得最佳性能。如果需要以固定頻率工作，可將Iin值設(shè)定為100 μA，并通過調(diào)節(jié)電容的取值在100 μF～20 pF來實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，為了減小電路的分布電容，應(yīng)使用盡可能短的引線。

電路選擇500 kΩ作為粗調(diào)電阻，兩個(gè)0.22 kΩ電阻和一個(gè)1 kΩ滑阻組成微調(diào)電路，粗調(diào)電阻確定了中心頻率，然后調(diào)節(jié)Rx選擇所需的頻率值。

文中CF取10 nF，計(jì)算得出中心頻率為f0=500 Hz；微調(diào)由UFADJ的值決定，如下：

根據(jù)Rx取值算出UFADJ的取值范圍為-3.47～+3.47 V，可得到：

故微調(diào)范圍為0.011 50f0～2.011 505f0，綜合以上得出頻率范圍為5.752 5～1 005.752 5 Hz，考慮到實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際誤差與精確度，該范圍也完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3）占空比調(diào)整

max038 的引腳7 對(duì)應(yīng)的DADJ 端接地，即可將方波信號(hào)的占空比固定為50%，該設(shè)置既能簡(jiǎn)化電路，又可滿足多數(shù)場(chǎng)合的使用要求。

4）幅值調(diào)節(jié)

波形產(chǎn)生電路輸出波形的峰峰值均為2 V，為了得到更大的輸出幅值，在信號(hào)輸出級(jí)加上一個(gè)電壓放大級(jí)，用高精度運(yùn)放Opa2227加電位器保證了輸出信號(hào)的幅值在0～5 V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具體電路如圖2所示。

5）測(cè)試結(jié)果及波形

以產(chǎn)生頻率為200 Hz、峰峰值為2 V的波形為例，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。可看出輸出波形很理想，電壓連續(xù)可調(diào)且幅值顯示正確，頻率測(cè)量誤差在1 Hz以內(nèi)，波形穩(wěn)定、失真度低。

圖3 實(shí)際硬件電路產(chǎn)生的波形圖

1.2 功放電路設(shè)計(jì)

低頻交變磁場(chǎng)發(fā)生器需要將功率進(jìn)行較大程度的放大，文中考慮采用OCL 電路連接的方法。

作為OTL 電路的升級(jí)版，OCL 電路去除輸出端大電容后，系統(tǒng)的低頻響應(yīng)更加平滑，且避免了大電容造成的電路不穩(wěn)定[11-12]，如圖4（a）所示。

圖4 OCL功放電路

由于存在輸出電容耦合的情況，OCL 電路可采用單電源供電，由電容充放電產(chǎn)生交流信號(hào)。只要電容C的容量足夠大，電容C上的電壓變化就可忽略，進(jìn)而可將輸出電壓看作一個(gè)恒壓源。若采用雙電源連接，則OCL 電路輸出端電位的直流部分為電流為0 A。由于無輸出電容，因此該電路的低頻特性非常好[13-14]。當(dāng)使用雙電源供電時(shí)，電路的最大輸出電壓值為正、負(fù)電源值。此時(shí)電路的額定輸出功率約為

一般情況下，完整的OCL 功放電路如圖4（b）所示。第一部分中的V1 和V2 為典型的差動(dòng)輸入級(jí)，這部分電路有時(shí)也用集成運(yùn)放代替。差動(dòng)輸入級(jí)需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足后級(jí)功放電路的需求。中間推動(dòng)級(jí)的二極管D1 為推挽輸出級(jí)中的V5和V6 提供需要的偏壓值。而負(fù)載級(jí)的電容C4和推挽輸出級(jí)中的電阻R7、R8構(gòu)成自舉電路，彌補(bǔ)了正半周大信號(hào)的輸出不足。

實(shí)際采用OCL接法設(shè)計(jì)的功放電路如圖5所示。

圖5 采取OCL接法設(shè)計(jì)的功放電路圖

圖5 是由分立元件構(gòu)成的實(shí)際直流互補(bǔ)對(duì)稱OCL 電路。該電路由差分放大級(jí)、電壓推動(dòng)級(jí)和復(fù)合輸出級(jí)三級(jí)構(gòu)成。電路中引入了直流負(fù)反饋，取消了反饋電容，消除了電路不穩(wěn)定。同時(shí)，通過射級(jí)電阻引入了本級(jí)負(fù)反饋，改善本級(jí)性能的同時(shí)也簡(jiǎn)化了電路。輸出級(jí)工作在甲乙類狀態(tài)，在保障效率的同時(shí)，保證了元件工作在線性區(qū)。電路中差分管放大倍數(shù)為200，電壓推動(dòng)管放大倍數(shù)為80。

在以上條件下，穩(wěn)壓電源既提供能量，又提供電壓偏置，調(diào)試后對(duì)整體電路加以測(cè)量：當(dāng)前，置輸入電壓為20 mV 時(shí)，輸出功率超過12 W。

該電路的特點(diǎn)為采用DNC 設(shè)計(jì)的優(yōu)秀音頻功放電路，確保能夠放大器穩(wěn)定工作；用差分對(duì)管做輸入，精確配對(duì)每個(gè)元件，專用管做末級(jí)輸出，性能精良；實(shí)現(xiàn)了開機(jī)延時(shí)、瞬時(shí)關(guān)機(jī)、輸出中點(diǎn)偏移、過載保護(hù)等功能。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，輸出阻抗為4～8 Ω，最大輸出功率可達(dá)250 W，頻率響應(yīng)范圍為10 Hz～50 kHz，覆蓋了設(shè)計(jì)的頻率指標(biāo)范圍。實(shí)際使用時(shí)采用了大散熱片，以保證輸出功率較大時(shí)能達(dá)到較好的散熱效果。

2 磁場(chǎng)測(cè)量原理與方法

針對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)的磁路實(shí)際尺寸為，鐵氧體磁芯的外型尺寸為140 mm×120 mm×30 mm，橫截面是邊長(zhǎng)30 mm的正方形，磁芯中間氣隙寬度為30 mm。勵(lì)磁線圈用自繞圓截面漆包線線圈。考慮到功放電路輸出電流較大，漆包線選用直徑為2 mm 的耐高溫線，如圖6（a）所示。測(cè)量原理為楞次定律，即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[15]。用公式表示為：

式中，ε為交變磁場(chǎng)的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，φ為通過每匝線圈的磁通量，單位為Wb，N為測(cè)試線圈的匝數(shù)。如圖6（b）所示。設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，單位為T，線圈面積為S，單位為m2，線圈匝數(shù)為N，單位為匝。

圖6 測(cè)試線圈及磁場(chǎng)方向示意圖

對(duì)于面積相等的每一匝線圈Φ=BS，線圈的橫截面垂直于磁場(chǎng)方向，故線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[16]ε=-NS(dB/dt)，因此正弦變化的交變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=Bmsin(ωt)，其中，Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值。測(cè)試線圈的感應(yīng)電壓為ε=-NSBmωcos(ωt)，其中，ω=2πf。從而有：

通過εpp值可以推算出正弦交變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。文中使用鎖相放大器（SR830）來測(cè)量勵(lì)磁線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再用式（2）計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

圖7 是用測(cè)試線圈測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其中，橫軸代表功放電路輸入波形的有效值，即信號(hào)發(fā)生部分輸出信號(hào)的有效值。

圖7 測(cè)量結(jié)果曲線圖

不同頻率下測(cè)得的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值如表2所示。

從表2 中可以看出，隨著頻率的增大，交變磁場(chǎng)的輸出場(chǎng)強(qiáng)呈急劇遞減，出現(xiàn)該情況的原因分析如下：

表2 不同頻率下的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值

首先，磁場(chǎng)的負(fù)載線圈實(shí)際上就是一個(gè)電感，其本身存在電感和電阻值。當(dāng)輸入頻率升高時(shí)，其感抗也隨之快速增大。萬用表測(cè)得其直流阻抗為4.5 Ω。而通過交流阻抗分析儀（安捷倫4 294 A）測(cè)定，發(fā)現(xiàn)線圈的交流阻抗在1 kHz 內(nèi)基本呈線性增長(zhǎng)，如圖8 所示，勵(lì)磁線圈的交流阻抗在50 Hz 時(shí)僅為8.6 Ω，到了1 kHz 時(shí)其阻抗值達(dá)到了195.4 Ω。線圈阻抗的增大使得功放電路的負(fù)載增加，因而影響了交變磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)輸出。

圖8 勵(lì)磁線圈的交流阻抗值隨頻率的變化

4 結(jié)論

該文介紹了一種用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的低頻交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置，采用硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電路輸出效果較好，頻率準(zhǔn)確度和輸出穩(wěn)定度也較高。在波形產(chǎn)生電路設(shè)定波形，頻率、占空比和幅值也可連續(xù)調(diào)節(jié)[17]，電路除可產(chǎn)生常用的正弦波、方波、三角波外，還可自行調(diào)整電路參數(shù)，以方便產(chǎn)生所需要的其他周期性的信號(hào)波形，解決了輸出波形種類單一的問題[18]；功放電路采用OCL 接法，選用優(yōu)質(zhì)分立元件自搭建電路來放大電壓，從而產(chǎn)生強(qiáng)度可變的交變磁場(chǎng)，使用頻率范圍較寬。輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度在0～1 kHz 之間連續(xù)可調(diào)，場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到200 mT 的指標(biāo)，最大可超過300 mT。該設(shè)計(jì)打破常規(guī)交變磁場(chǎng)頻率固定的限制；同時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍較寬，完全符合常見生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求(0～200 mT)，將成為磁場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)研究的有力工具。