簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(核磁共振找水儀).doc

中文摘要 水是人類賴以生存的最寶貴的自然資源，為解決中國(guó)的水危機(jī)，用高新技術(shù)勘察地下水已成為當(dāng)務(wù)之急。目前，唯一能直接探測(cè)地下水的地球物理方法就是地面核磁共振找水方法（mrs）。然而1khz3khz的環(huán)境電磁噪聲對(duì)根據(jù)此方法研制的核磁共振找水儀影響很大。本文針對(duì)這種情況對(duì)環(huán)境中1khz3khz的電磁噪聲進(jìn)行事先估計(jì)，為核磁共振找水儀野外實(shí)驗(yàn)選取測(cè)點(diǎn)提供依據(jù)。 本設(shè)計(jì)采用1m x 1m多匝天線接收電磁噪聲，經(jīng)過弱信號(hào)放大器對(duì)其進(jìn)行放大，通過平均值檢波后送入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集、處理和液晶顯示，從而估計(jì)測(cè)點(diǎn)環(huán)境電磁噪聲強(qiáng)弱。本噪聲測(cè)量裝置通過大量室內(nèi)和野外實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置能夠有效地評(píng)估電磁噪聲的大小。關(guān)鍵詞：地面核磁共振找水 噪聲測(cè)量 弱信號(hào)放大器 數(shù)據(jù)采集外文摘要title design of simple noise measurement device abstractwater is the most valuable natural resources for the survival of mankind.to solve the water crisis high-tech investigation of groundwater has become an urgent task. the magnetic resonance sounding method(mrs) is the only direct detection of ground-water method.however 1khz to 3khz environment electromagnetic noise influences the nmr water detector significantly. in this paper, the environment in such a situation 1khz 3khz prior to the electromagnetic noise is estimated that water detector for field mrs experiments provide a basis for selecting the measuring point.the design uses a multi-turn loop antenna with 1m side to receive electromagnetic noise, after the weak signal amplifier for amplification, through the average value demodulator, the signal records are sampled. the data is processed in mcu and noise result is displayed on the liquid crystal display, which estimate the electromagnetic noise environment. the device can effectively assess the electromagnetic noise intensity according to a large number of lab and field tests electromagnetic noise.keywords：magnetic resonance sounding noise measurement weak signal amplifier data acquisition畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄1 緒 論11.1 本課題研究背景11.2 本課題研究目的和意義11.3 本課題研究?jī)?nèi)容22 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì)32.1 總體電路框圖32.2 接收天線32.3 弱信號(hào)放大42.4 數(shù)據(jù)采集模塊53 弱信號(hào)放大器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)63.1 前置放大器63.2 寬帶濾波器73.3 程控開關(guān)電容濾波器103.4 程控增益放大器153.5 跟隨器和直流偏置、峰值檢波164 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)184.1 控制單元184.2 鍵盤單元194.3 液晶顯示單元194.3 通信單元205 測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì)215.1 放大器模塊軟件設(shè)計(jì)215.2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)226 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果246.1 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)246.2 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果246.3 野外測(cè)試結(jié)果26結(jié)論28參 考 文 獻(xiàn)29致 謝30附錄 a 弱信號(hào)放大器增益表31iv吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))1 緒 論1.1 本課題研究背景水是人類賴以生存的最寶貴的自然資源之一。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增加，對(duì)淡水的用量急增，加之水資源浪費(fèi)與污染，使淡水資源越來越難以滿足需要。世界上有幾十個(gè)國(guó)家嚴(yán)重缺水，2/3的人口面臨缺水問題。我國(guó)被列為世界上13個(gè)人均水資源缺乏的國(guó)家之一。特別是西北、西南、華北、東北部分地區(qū)，缺水更為嚴(yán)重。為解決中國(guó)的水危機(jī)，用高新技術(shù)勘察地下水成為當(dāng)務(wù)之急。核磁共振技術(shù)是當(dāng)前世界上的尖端技術(shù)，用該技術(shù)找水是核磁共振技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，開創(chuàng)了應(yīng)用地球物理方法直接找水的先河。與其他地球物理找水方法相比，核磁共振找水方法主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是能夠直接找水，特別是找淡水。二是信息量豐富，具有量化的特點(diǎn)。三是經(jīng)濟(jì)、快速，完成一個(gè)核磁共振側(cè)臉的費(fèi)用僅為一個(gè)水文地質(zhì)勘探鉆孔費(fèi)用的1/10，可以快速地提供井位及劃定找水遠(yuǎn)景區(qū)。2006年9月，科技部在“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃中設(shè)立了“科學(xué)儀器設(shè)備研制和開發(fā)”重大項(xiàng)目。其中，由吉林大學(xué)等承擔(dān)的“核磁共振找水儀的研制與開發(fā)”已進(jìn)入完善階段，該研究成功已經(jīng)打破了法國(guó)儀器的壟斷地位，使我國(guó)躍居使用該技術(shù)的世界先進(jìn)國(guó)家行列。該儀器已經(jīng)再內(nèi)蒙古、通遼等地進(jìn)行了找水試驗(yàn)，為這些地區(qū)打井取用地下水提供了依據(jù)。核磁共振找水儀需要檢測(cè)nv級(jí)的信號(hào)，極易受電磁環(huán)境干擾，急需一種能對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境電磁噪聲進(jìn)行檢測(cè)的裝置，在開展核磁共振實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)區(qū)開展噪聲檢測(cè)，用于確定該點(diǎn)是否可以進(jìn)行核磁共振找水。1.2 本課題研究目的和意義電磁噪聲(electromagnetic noise)指一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象。它的頻率、相位和振幅的變化是隨機(jī)的,具有不規(guī)則性。在射頻頻段內(nèi)的電磁噪聲，稱為無線電噪聲；由機(jī)電或其他人為裝置產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象，稱為人為噪聲；來源于自然現(xiàn)象的電磁噪聲稱為非人為噪聲。各種電磁噪聲的存在，會(huì)對(duì)信號(hào)微弱的地質(zhì)探測(cè)儀器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致地質(zhì)探測(cè)儀器無法正常運(yùn)行。核磁共振找水儀器是一種直接的找水方法，其信號(hào)微弱，極易受到外界電磁噪聲的干擾。針對(duì)本文中的吉林大學(xué)研制的核磁共振找水儀，對(duì)于隨機(jī)噪聲，有很好的消除作用，但若主要噪聲在1khz-3khz的頻帶內(nèi)，如果設(shè)計(jì)者在不清楚這些電磁噪聲的情況下選擇測(cè)點(diǎn)，就可能由于噪聲干擾而無法進(jìn)行有效的找水實(shí)驗(yàn)，從而浪費(fèi)大量時(shí)間。這時(shí)需要一個(gè)噪聲測(cè)試儀器針對(duì)環(huán)境中1khz-3khz的電磁噪聲進(jìn)行事先估計(jì)。本篇論文就是基于上述要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種可以估計(jì)環(huán)境中電磁噪聲強(qiáng)弱的簡(jiǎn)易裝置，并用該裝置到不同的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，為核磁共振找水儀工作測(cè)點(diǎn)的選擇提供參考。1.3 本課題研究?jī)?nèi)容 本文主要工作是設(shè)計(jì)一套可以為核磁共振找水儀實(shí)驗(yàn)點(diǎn)提供依據(jù)的噪聲測(cè)量裝置。全文共為七章，其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排如下：第1章 為緒論，主要介紹了本論文的研究背景、意義和主要研究?jī)?nèi)容。第2章 對(duì)簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，給出了該裝置的整體設(shè)計(jì)方案。第3章 微弱信號(hào)放大器模塊整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了其模擬部分、數(shù)字部分等。第4章 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了該模塊采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和對(duì)放大器模塊設(shè)置修改。第5章 介紹了本測(cè)量裝置的軟件設(shè)計(jì)。 第6章 介紹了測(cè)量裝置裝置的整體實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。382 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì)2.1 總體電路框圖系統(tǒng)整體上要完成的功能主要有，電磁噪聲信號(hào)的接收、放大，信號(hào)的濾波，信號(hào)幅值的測(cè)量、顯示。整體電路框圖如下圖2.1?？煞譃槿糠謥磉M(jìn)行設(shè)計(jì)，第一部分為接收環(huán)境電磁噪聲天線的設(shè)計(jì)，第二部分為弱信號(hào)放大器模塊的設(shè)計(jì)，第三部分為采集模塊的設(shè)計(jì)。圖2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖2.2 接收天線接收噪聲天線的設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)要求：1、攜帶方便。2、可以感應(yīng)到一定幅值的電壓信號(hào)。基于這兩點(diǎn)要求，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最后選取用漆包線繞制50匝1m x 1m多匝天線。天線參數(shù)為l=10mh, r=59歐姆。2.3 弱信號(hào)放大 微弱信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)主要有三點(diǎn)要求：一是噪聲小，二是滿足通頻帶穩(wěn)定，三是各級(jí)之間的阻抗匹配。低噪聲設(shè)計(jì)主要是在給定信號(hào)源的條件下，使放大器在信號(hào)工作頻率范圍內(nèi)有最小的噪聲。同時(shí)，要得到良好的低噪聲性能，還需要盡量避免來自外部環(huán)境的各種干擾。因此，一個(gè)低噪聲放大器不僅要盡量降低內(nèi)部噪聲，而且要很好地排除外部干擾。外部干擾與器件內(nèi)部噪聲不同，通常具有一定的規(guī)律及傳送的途徑，可以采取適當(dāng)措施抑制各種外部干擾。 針對(duì)本文設(shè)計(jì)的放大器，根據(jù)核磁共振找水儀要求和接收線圈的等效面積，此信號(hào)為納伏數(shù)量級(jí)，而滿足 a/d 采集的可靠信號(hào)應(yīng)在 10 毫伏以上，所以放大器增益應(yīng)不小于100db。而在實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)，電磁噪聲信號(hào)很大，放大器增益應(yīng)遠(yuǎn)小于100db。之間相差很大，所以把增益設(shè)計(jì)為兩個(gè)檔位，并且設(shè)計(jì)為可程控，各檔位依放大器各級(jí)輸出不飽和為原則，增益盡可能的大。本文放大器需要測(cè)量納伏級(jí)微弱信號(hào)，而接收天線卻是 50匝1m x 1m的多匝天線，干擾非常大，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶濾波器，先粗略濾除我們不需要的干擾信號(hào)，此寬帶濾波器通帶到阻帶過度區(qū)的陡度應(yīng)盡可能地大。它最主要的應(yīng)用效果是抑制工頻 50hz 及其 2 次諧波干擾以及手機(jī)、電視臺(tái)、廣播電臺(tái)等通訊設(shè)備發(fā)出的電磁波干擾。濾波器只能濾除從信號(hào)線引入的干擾，而從空間輻射的電磁波干擾還需加入嚴(yán)密的屏蔽措施和適當(dāng)?shù)慕拥卮胧?。且各?jí)間需仔細(xì)設(shè)計(jì)阻抗匹配。通過上述分析，放大器設(shè)計(jì)的基本要求為： 1、增益為兩個(gè)檔位：高增益檔位可在150000-2500000之間調(diào)整，低增益檔位可在4500- 50000之間調(diào)整。2、寬帶濾波器的高頻截止頻率為 4.5khz，低頻截止頻率為 1khz，濾波器通帶到阻帶過度區(qū)的陡度應(yīng)盡可能地大，通帶平穩(wěn)； 3、選頻濾波部分要求中心頻率可變，且?guī)捈巴◣г鲆娑伎沙炭兀?4、整體抗干擾能力強(qiáng)、噪聲低、系統(tǒng)穩(wěn)定。弱信號(hào)放大器的整體電路框圖可在圖2.1中看出，共分為四級(jí)，電源部分由開關(guān)電源產(chǎn)生，數(shù)字系統(tǒng)用于對(duì) max260 進(jìn)行控制。本文弱信號(hào)放大器由前置放大器，寬帶濾波器，開關(guān)電容窄帶選頻放大器，末級(jí)程控放大器組成，分級(jí)對(duì)無用的信號(hào)抑制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)所需要信號(hào)有效放大，整體放大器置于金屬屏蔽殼中。 電磁噪聲通過接收線圈進(jìn)入弱信號(hào)放大器，經(jīng)過低噪聲前置放大器的放大輸入給寬帶濾波器，寬帶濾波器由通帶特性良好的雙二次型高通濾波器和低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，主要是為了抑制工頻 50hz 及其2 次諧波干擾以及手機(jī)、電視臺(tái)、廣播電臺(tái)等通訊設(shè)備發(fā)出的電磁波干擾。然后輸入到開關(guān)電容窄帶選頻濾波器，選頻濾波器由 2 片 max260開關(guān)電容濾波芯片構(gòu)成，并用 dds芯片給 max260 提供時(shí)鐘，通過單片機(jī)程控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)選頻濾波器的中心頻率、帶寬、增益等進(jìn)行靈活調(diào)整，增加了放大器靈活性。選頻濾波器輸出信號(hào)經(jīng)過程控增益放大電路放大后輸出。整個(gè)放大器系統(tǒng)通過屏蔽、阻抗匹配、電源濾波等手段，抑制從接收線圈以外得到的外界電磁噪聲。 2.4 數(shù)據(jù)采集模塊為了在野外攜帶方便，選取由單片機(jī)系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)采集模塊，由單片機(jī)采集、處理、顯示數(shù)據(jù)，由于單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力有限，所以本文需要選擇一種可以簡(jiǎn)便的估計(jì)噪聲情況的信號(hào)測(cè)量方案，基于這種要求，本文采用平均值檢波器，檢波電路輸出的直流電壓正比于輸入交流電壓絕對(duì)值的平均值，測(cè)得檢波后的直流電壓平均值，即可估計(jì)當(dāng)前電磁噪聲強(qiáng)度。采集模塊采集信號(hào)幅度范圍為0-3.5v，考慮到采樣精度，需要選用采樣位數(shù)不小于10位的a/d,而且考慮到對(duì)控制器的工作速度沒有過高的要求，在節(jié)約成本和節(jié)省空間上的基礎(chǔ)上，選用帶a/d功能的控制器。本模塊需要人手動(dòng)輸入一些數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制以及顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，因此增加鍵盤輸入單元和液晶顯示單元。并且可通過串口與弱信號(hào)放大器通信。3 弱信號(hào)放大器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3.1 前置放大器要檢測(cè)微弱信號(hào)，必然要使用放大器對(duì)其進(jìn)行放大。而放大器本身產(chǎn)生的噪聲，對(duì)本來信噪比就比較低的微弱信號(hào)造成進(jìn)一步污染。因此，盡量降低放大器本身的噪聲是首先考慮的問題，防止在信號(hào)放大的過程中使信噪比惡化。這樣，前置放大器顯得由其重要，因?yàn)樗a(chǎn)生的噪聲會(huì)經(jīng)過后續(xù)各級(jí)放大器的放大作用呈現(xiàn)在檢測(cè)電路的輸出端。3.1.1 前放芯片163簡(jiǎn)介 ina163是一種低噪聲、低失真的單片集成電路儀器放大器。它的電流反饋電路可以達(dá)到非常寬的帶寬和非常優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。放大倍數(shù)可由外接電阻設(shè)置。圖3.1所示為ina163的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖 3.1 ina163的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 3.2 前置放大器原理框圖3.1.2 前置放大器硬件電路前置放大器的原理圖如圖3.2。圖中的核心器件為ina163,該器件的噪聲性能低，構(gòu)成電路簡(jiǎn)單。圖中的p2為輸入端接口，分別接線圈的兩端。r11,r12為輸入端提供偏流電阻，這兩個(gè)電阻比較關(guān)鍵，直接決定該前置放大器的輸出噪聲。實(shí)際設(shè)置數(shù)值為2k,2k。r1、r2為設(shè)置放大倍數(shù)的電阻，阻值為2k和33歐姆，應(yīng)用公式 （其中：rg即為設(shè)置放大倍數(shù)電阻，g即為放大倍數(shù)。），計(jì)算得放大倍數(shù)為4倍和182.8倍。通過選擇r1、r2即可實(shí)現(xiàn)放大器的高低增益檔位控制。 3.2 寬帶濾波器3.2.1 電路設(shè)計(jì)及原理分析本論文中設(shè)計(jì)的帶通濾波器是由高通加低通組成的帶通濾波器。1、高通濾波器的設(shè)計(jì)高通濾波器的電路圖如圖 3.3 所示。 圖3.3 二階高通濾波器電路圖利用kcl列寫節(jié)點(diǎn)方程得： 高通濾波器的標(biāo)準(zhǔn)式為： 兩式相比較得： 2、低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器的電路圖如圖3.4所示。圖3.4 低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)時(shí)使r2=r30,c49=c50,r4=(avf-1)r7,其中avf 為低通濾波器的通帶電壓增益，根據(jù)這些條件，利用kcl列寫節(jié)點(diǎn)方程得： 前面介紹的低通濾波器的標(biāo)準(zhǔn)式為 兩式相比較得 根據(jù)前面的設(shè)計(jì)要求，增益為20倍，算出的電路中實(shí)際參數(shù)為圖中標(biāo)識(shí)的數(shù)值。3.2.2 測(cè)試結(jié)果應(yīng)用ms4360 網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雙二次型濾波器(包括前置放大器，置于高增益檔位)傳輸特性進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖 3.5 所示。圖3.5 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果通帶增益71db，前置放大器設(shè)置的增益值為 182.8倍，換算為增益為45.2db，除去前置放大器的放大倍數(shù)可以得到在通帶內(nèi)增益為25.8db。低頻截止頻率為1050hz,高頻截止頻率為4500 hz，符合設(shè)計(jì)要求。3.3 程控開關(guān)電容濾波器要檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍為1khz到3khz，加入程控選頻放大單元，改變中心頻率，提高探測(cè)信噪比。開關(guān)電容濾波器主要可分為以下這幾部分：由單片機(jī)構(gòu)成的模塊控制中心，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集模塊通信，控制dds和開關(guān)電容濾波器產(chǎn)生不同設(shè)置。開關(guān)電容濾波器共采用兩片max260共4級(jí)2階濾波，每一級(jí)濾波中間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，控制增益，保證放大器不出現(xiàn)飽和情況。dds部分由ad9850構(gòu)成，用來產(chǎn)生不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，提供給max260，可以使max260產(chǎn)生不同中心頻率的帶通濾波特性。3.3.1 開關(guān)電容濾波器max260特性開關(guān)濾波器選用可編程程控開關(guān)濾波器max260，其編程簡(jiǎn)單，外圍器件少，工作可靠性高。max262 芯片是maxim 公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器,可通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù)(包括設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)和工作方式) 。它采用cmos 工藝制造,在不需外部元件的情況下就可以構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。 圖 3.6 max260內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3.6是max260 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。max260 由2 個(gè)二階濾波器(a 和b 兩部分) 、2 個(gè)可編程rom 及邏輯接口組成。每個(gè)濾波器部分又包含2 個(gè)級(jí)聯(lián)的積分器和1 個(gè)加法器。該電路的主要特性有: 配有濾波器設(shè)計(jì)軟件,可改善濾波特性,帶有微處理器接口;可控制64 個(gè)不同的中心頻率f0、128 個(gè)不同的品質(zhì)因數(shù)q 及4 種工作模式; 對(duì)中心頻率f0 和品質(zhì)因數(shù)q 可獨(dú)立編程; 時(shí)鐘頻率與中心頻率比值(fclk/f0) 可達(dá)到1%(a 級(jí)); 中心頻率f0的范圍為75 khz。3.3.2 基于max260的程控開關(guān)濾波器開關(guān)電容濾波器的框圖如下圖3.7： 圖3.7 開關(guān)電容濾波器max260電路設(shè)計(jì)原理圖開關(guān)電容濾波器采用兩片max260，共4級(jí)2階濾波，由于設(shè)置的帶寬在100hz 左右，所以q值很高，需要在每一級(jí)濾波中間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，控制增益，保證放大器不出現(xiàn)飽和情況。為了減少電源噪聲對(duì)電路影響，電源經(jīng)過濾波后給max260供電。 濾波器時(shí)鐘源產(chǎn)生及控制濾波器時(shí)鐘源產(chǎn)生及控制電路如3.8所示。單片機(jī)采用串行方式對(duì)ad9850進(jìn)行設(shè)置，主要對(duì)40bit的頻率控制字進(jìn)行設(shè)置，產(chǎn)生所需要頻率的時(shí)鐘信號(hào)。輸出的信號(hào)經(jīng)過74hc04整形，給max260提供振蕩信號(hào)。通信傳輸協(xié)議采用232方式，弱信號(hào)放大器作為下位機(jī)與上位機(jī)采集模塊進(jìn)行通訊。圖3.8 單片機(jī)控制和dds電路 阻容衰減匹配網(wǎng)絡(luò)為了達(dá)到很窄的帶寬需要很高的q值，需要兩片max260級(jí)聯(lián)，可能出現(xiàn)放大器飽和現(xiàn)象，為了防止飽和的出現(xiàn)，在每級(jí)濾波器的輸出加入了衰減網(wǎng)絡(luò)來提供一定的衰減，同時(shí)提供一定的濾波作用，濾除開關(guān)電容濾波器產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。電路如圖3.9所示。衰減網(wǎng)絡(luò)的仿真?zhèn)鬏斕匦匀鐖D3.10所示。圖3.9 開關(guān)電容濾波器級(jí)聯(lián)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)圖3.10 阻容衰減網(wǎng)絡(luò)傳輸特性3.3.3 測(cè)試結(jié)果1、改變?yōu)V波器中心頻率，dds經(jīng)過整形后的波形如下圖： （a）=1000hz （b）=1750hz （c）=2326hz （d）=3000hz圖 3.11 改變?yōu)V波器中心頻率dds輸出頻率測(cè)試結(jié)果改變?yōu)V波器中心頻率， dds輸出頻率隨著變化，也即證明了濾波器的中心頻率隨著濾波器輸入頻率的變化而變化，與設(shè)計(jì)相符。2、改變中心頻率開關(guān)電容濾波器傳輸特性網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果： （a）=1000hz （b）=1750hz （c）=2326hz （d）=3000hz圖 3.12 改變中心頻率開關(guān)電容濾波器傳輸特性網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果從測(cè)試結(jié)果得出，當(dāng)濾波器中心頻率設(shè)置增大時(shí)，帶寬也在相應(yīng)的增大，但是在一定范圍內(nèi)，符合整個(gè)設(shè)計(jì)要求。3.4 程控增益放大器 圖3.13 程控放大器電路圖3.13為程控增益放大器設(shè)計(jì)電路，采用芯片ltc1564，放大倍數(shù)g設(shè)置范圍為1-16，可通過數(shù)據(jù)采集模塊上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置。改變程控增益放大器設(shè)置傳輸特性測(cè)試（包括開關(guān)電容濾波器）如圖3.14 。實(shí)現(xiàn)了程控放大的基本功能。 （a）g = 1 （b）g = 2 （c）g = 6 （d）g = 9圖 3.14 改變程控增益放大器設(shè)置時(shí)傳輸特性測(cè)試 3.5 跟隨器和直流偏置、峰值檢波給經(jīng)過放大、濾波的信號(hào)加一1.62v的直流偏置，使輸出信號(hào)為正值，再經(jīng)過跟隨器，降低輸出阻抗，以減少對(duì)后續(xù)電路的影響。電路如圖3.15 。采用平均值檢波器對(duì)通過跟隨器后的電壓檢波，本文采用半波檢波，檢波電路輸出的直流電壓正比于輸入交流電壓絕對(duì)值的平均值，如圖3.16（a）為簡(jiǎn)單的二極管阻容檢波電路，電路仿真結(jié)果如圖3.16（b）。圖 3.15 直流偏置和跟隨器電路設(shè)計(jì)圖（a）電路原理圖（b）ewb仿真結(jié)果 圖3.16 峰值檢波電路 4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖4.1所示。包括控制器及其外圍電路和各種接口。外圍電路有復(fù)位電路和外部晶振電路，接口包括下載接口（p7）、電源接口、串口通信接口、a/d輸入接口、鍵盤接口和液晶顯示接口。圖4.1 單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)圖4.1 控制單元 采用宏晶科技推出的stc12c5410ad系列單片機(jī)stc12c5408ad作為數(shù)據(jù)采集模塊的主芯片， stc12c5408ad是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1t）的 單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路。4路pwm，8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換，可在強(qiáng)干擾場(chǎng)合使用。4.2 鍵盤單元典型的單片機(jī)系統(tǒng)中，都有人機(jī)對(duì)話的功能。它包括人對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。人機(jī)對(duì)話配置水平、規(guī)模與應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模、特點(diǎn)有關(guān)。人對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)和數(shù)據(jù)輸入的外部設(shè)備最常用的是鍵盤，有向系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)干預(yù)使能鍵和向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字鍵等。由于單片機(jī)系統(tǒng)的專用性，因此對(duì)不同類型的系統(tǒng)，輸入設(shè)備也會(huì)有很大不同，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出適合需要的輸入設(shè)備類型。本文的數(shù)據(jù)采集控制器共需要14個(gè)按鍵，采用矩陣連接式無編碼類型結(jié)構(gòu)鍵盤，即4x4鍵盤，共16個(gè)按鍵。如圖4.1中，p2口為鍵盤接口，r2、r3、r4、r5為限流電阻，防止按鍵按下時(shí)電流過大損壞單片機(jī)i/o口。16個(gè)按鍵中，包括:： 0-9 10個(gè)數(shù)字鍵，修改程控放大器增益鍵（g），確認(rèn)鍵(enter)，修改中心頻率按鍵(f0)，測(cè)量鍵(m)。鍵盤程序的功能是準(zhǔn)確讀入被按下鍵的鍵值。這里影響鍵值讀取的主要因素是在鍵剛剛按下時(shí)會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，這里要考慮去抖動(dòng)的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，有兩種方法可以用來去除抖動(dòng)的影響。一種是完全消除抖動(dòng)現(xiàn)象，使之不能發(fā)生，這可采用硬件電路的方法。另一種是采用軟件的方法，規(guī)避抖動(dòng)對(duì)讀取鍵值的影響，即采取延時(shí)的方法，在抖動(dòng)過后再讀取鍵值。本文中，出于成本的考慮，采用軟件的方法來消除抖動(dòng)的影響。4.3 液晶顯示單元在數(shù)據(jù)采集模塊控制系統(tǒng)中，由于有比較少的內(nèi)容顯示。再者可以不用漢字，力求使用簡(jiǎn)單的顯示模塊，考慮到這些因素，因此在設(shè)計(jì)時(shí)本系統(tǒng)采用了常用的1602作為液晶顯示模塊。smc1602顯示容量為16x2個(gè)字符，字符尺寸為2.95x4.35（wxh）mm。顯示內(nèi)容有限，不過足夠本系統(tǒng)使用。smc1602的基本操作分為4步：讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)。對(duì)控制器每次進(jìn)行讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測(cè)，確保sta7為0 ?？刂破骺梢怨芾?0b的顯示ram。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。smc1602有11條指令，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)值由用戶根據(jù)所控制的液晶顯示模塊的特征和顯示的需求來設(shè)置。如圖4.1中，p3口為液晶接口，液晶的實(shí)際圖片見圖4.2 。圖片上的開始顯示的是當(dāng)前的中心頻率，后面是測(cè)得的數(shù)值顯示。圖4.2 液晶1602圖片4.3 通信單元p4為串口232通信接口，此接口與弱信號(hào)放大器通信接口相連接，用軟件程序控制即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與放大器模塊通信。5 測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì) 5.1 放大器模塊軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用 mcs51 系列單片機(jī)作為控制中心，主要控制 dds 產(chǎn)生max260時(shí)鐘信號(hào)源、對(duì) max260 的控制字編程、改變可控增益放大器ltc1564 的放大倍數(shù)。程序流程圖如圖5.1所示,程序上電后對(duì)ad9850和max260進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化設(shè)置的默認(rèn)參數(shù)為 ad9850 頻率：230000hz，max260 中心頻率：2300hz，q：11.3，工作模式：模式 2。ltc1564 默認(rèn)設(shè)置為 1 倍。圖5.1 放大器模塊軟件流程圖5.2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)圖5.2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖系統(tǒng)選用 stc12c54 系列單片機(jī)作為控制中心，主要控制 a/d采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，送給液晶顯示，取得鍵盤的設(shè)置，發(fā)給放大器模塊進(jìn)行設(shè)置。程序上電后對(duì)各模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后掃描鍵盤，根據(jù)鍵盤的輸入值執(zhí)行不同的功能。6 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.1 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將接收天線、弱信號(hào)放大器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接起來整體調(diào)試，整體硬件如圖6.1所示。兩節(jié)12v的電池串聯(lián)供電，金屬盒中的為弱信號(hào)放大器，黑色盒中的為數(shù)據(jù)采集模塊，周圍放置的是50匝1m x 1m環(huán)形天線。圖6.1 整體硬件電路6.2 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果室內(nèi)的電磁噪聲信號(hào)較大，因此放大器放大倍數(shù)選擇低增益檔位，同時(shí)改變程控增益放大器的放大倍數(shù)，使得到的結(jié)果處在一個(gè)合適的范圍，改變中心頻率測(cè)試了一系列的結(jié)果電壓值，下面給出了中心頻率分別為1000hz、2326hz、3000hz時(shí)的測(cè)試結(jié)果。 （a）示波器測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.2 =1000 hz，g=6 時(shí)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果 （a）示波器測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.3 =2326 hz，g=1 時(shí)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果 （a）示波器測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.4 =3000 hz，g=6 時(shí)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果根據(jù)裝置的總體設(shè)計(jì)方案，輸入端電壓信號(hào)的有效值計(jì)算公式為,其中為峰值，為測(cè)得的直流電壓值，us為直流偏置,為1503mv，為總體增益，為輸入端信號(hào)的有效值。根據(jù)附錄1中的增益，查表得：g=1,g=6時(shí)，前放低增益總增益分別為3728和17389，f0 =1000 hz，f0 =2326 hz，f0 =3000 hz時(shí)放大器輸入端噪聲信號(hào)有效值分別為3747nv，31876nv，43365nv。由此可知，在室內(nèi)，1000 hz頻率的信號(hào)小于2326 hz和3000 hz頻率的信號(hào)。6.3 野外測(cè)試結(jié)果 野外的電磁噪聲信號(hào)較小，因此放大器放大倍數(shù)選擇低增益檔位，同時(shí)改變程控增益放大器的放大倍數(shù)，使得到的結(jié)果處在一個(gè)合適的范圍，改變中心頻率測(cè)試了一系列的結(jié)果電壓值，下面給出了中心頻率分別為1000hz、2326 hz、3000 hz時(shí)的測(cè)試結(jié)果。 （a）示波表測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.5 =1000 hz，g=8 時(shí)野外測(cè)試結(jié)果 （a）示波表測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.6 =2326 hz，g=4 時(shí)野外測(cè)試結(jié)果 （a）示波表測(cè)試波形 （b）液晶顯示結(jié)果圖6.7 =3000 hz，g=1 時(shí)野外測(cè)試結(jié)果根據(jù)附錄1中的增益，將結(jié)果值推算到放大器輸入端，查表得：g=1,g=4，g=8時(shí)，前方低增益總增益分別為169604，644095和1320718, f0 =1000 hz，f0 =2326 hz，f0 =3000 hz時(shí)的放大器輸入端噪聲信號(hào)強(qiáng)度分別為33nv，1310nv，2029nv。由此得到，在野外，1000 hz頻率的信號(hào)遠(yuǎn)小于2326 hz和3000 hz頻率的信號(hào)。對(duì)比室內(nèi)和野外實(shí)驗(yàn)，相同頻率相比，室內(nèi)噪聲強(qiáng)度是野外的100多倍。野外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為核磁共振找水儀可以找水測(cè)點(diǎn)，因此，可以以此為標(biāo)準(zhǔn)，在核磁共振的測(cè)點(diǎn)預(yù)先測(cè)量，于此實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)，如果測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)測(cè)值小于該標(biāo)準(zhǔn)值，則可開展找水實(shí)驗(yàn)，如果測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)測(cè)值遠(yuǎn)大于該標(biāo)準(zhǔn)值，則不可以開展找水實(shí)驗(yàn)，如果測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)測(cè)值稍大于該標(biāo)準(zhǔn)值，可嘗試開展實(shí)驗(yàn)，最終，找到是否可以開展找水實(shí)驗(yàn)的臨界值。而且，由測(cè)量結(jié)果知，室內(nèi)是不可以開展找水實(shí)驗(yàn)的，這與實(shí)際相符。結(jié)論水是人類賴以生存的最寶貴的自然資源，為解決中國(guó)的水危機(jī)，采用核磁共振法（rms）找水準(zhǔn)確找水深度可達(dá)400米。然而1khz3khz的環(huán)境電磁噪聲對(duì)根據(jù)此方法研制的核磁共振找水儀影響很大。本文針對(duì)這種情況，制作了簡(jiǎn)易核磁共振找水儀噪聲測(cè)量裝置對(duì)環(huán)境中1khz3khz的電磁噪聲進(jìn)行事先估計(jì)，為核磁共振找水儀開展野外施工提供參考。本測(cè)量裝置主要由接收天線，弱信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集模塊等部分構(gòu)成。在完成儀器設(shè)計(jì)與制作的基礎(chǔ)上，開展了大量的實(shí)驗(yàn)。為核磁共振找水儀野外實(shí)驗(yàn)確定測(cè)點(diǎn)提供依據(jù)。 進(jìn)一步改進(jìn)意見：1、對(duì)接收天線標(biāo)定，取得接收天線對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。2、由單片機(jī)計(jì)算處理得到放大器輸入端的電壓信號(hào)有效值。3、將測(cè)試得到的數(shù)值歸算的磁感應(yīng)強(qiáng)度b。參 考 文 獻(xiàn)1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：高等教育出版社， 1999.6 kang hua-guang. electronic technology foundation-some simulated,beijing: higher education press,1999.62馬中梅.單片機(jī)的c語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2003.11ma zhong-mei. scm c-language application design. beijing university of aeronautics and astronautics press，2003.113何橋，段清明，邱春玲.單片機(jī)原理及應(yīng)用.中國(guó)鐵道出版社，2006he qiao,duan qing-ming,qiu chun-ling. theory and application of scm。china railway publishing house，20064潘玉林、張昌達(dá)，地面核磁共振找水理論和方法，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，20005馮恩信，電磁場(chǎng)與波，西安交通大學(xué)出版社，1999，p50-p1306張建、溫堅(jiān)，天線理論，電子工業(yè)出版社，2002，p30、p1207曾慶勇，微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)，浙江大學(xué)出版社，19948褶圣麟，原子物理學(xué)，高等教育出版社，19799/searchpdf/download.asp?id=163 10/abstract.aspx?a=jcdzgc20050603911/searchpdf/download.asp?id=7805-790512/searchpdf/download.asp?id=62013/searchpdf/download.asp?id=781514/searchpdf/download.asp?id=720215/searchpdf/download.asp?id=62812816/searchpdf/download.asp?id=75176致 謝本論文是在我的導(dǎo)師段清明老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在本論文課題進(jìn)行過程中，段老師不但給予了我全面的技術(shù)指導(dǎo)，還幫我們買材料，尋找緊缺電子元器件，花費(fèi)了很多心血。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的三個(gè)月中，段老師不但把把他淵博的知識(shí)傳授給我，而且他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)，精益求精的科研和工作態(tài)度以及敢于創(chuàng)新的精神更使我欽佩不已。在此，謹(jǐn)向段老師表示最真摯的敬意和感謝！在課題進(jìn)行過程中，得到了各位老師、師兄、師姐的幫助，在此我要感謝王應(yīng)吉老師、孫淑琴老師對(duì)我課題研究的幫助和支持；感謝榮亮亮師兄、易曉峰師兄、吳海燕師姐、王中興師兄、尚新磊師兄在項(xiàng)目開發(fā)中的給予的幫助；感謝實(shí)驗(yàn)室的劉漢北師兄、田瑜娟師姐、李曉明師兄、賈曉晨師兄、對(duì)我的關(guān)心與支持，是他們的幫助使我順利而愉快的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。感謝我的父親、母親謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給他們，謝謝他們無私的愛和無盡的支持。最后感謝所有幫助和理解我的人。附錄 a 弱信號(hào)放大器增益表表1 項(xiàng)目增益前放低增益(db)前放高增益(db)帶通濾波器增益(db)開關(guān)濾波器增益(db)gain12.0445.225.833.6表2g12345678增益(db)013.414.916.617.8g910111213141516增益(db)18.419.620.421.121.522.523.123.6表3程控放大器倍數(shù)g（倍）前放低增益總增益(db)前放低增益總增益(倍)前放高增益總增益(db)前放高增益總增益(倍)171.433728104.59169604277.377389110.53336171380.5210620113.68483209483.02141561168117389117.97791198686.3620789119.52945878788.0525276121.211150006889.2629028122.421320718989.8431053123.001412879程控放大器倍數(shù)g（倍）前放低增益總增益(db)前放低增益總增益(倍)前放高增益總增益(db)前放高增益總增益(倍)1091.0035478124.1616141911191.8439084125.0017782791292.4942104125.6519156671392.9644450126.1220224371493.9349720127.0922622211594.5053062127.6624142381695.0656624128.222576321英文原文：imaging of groundwater with nuclear magnetic resonance marian hertrichthe method of surface nuclear magnetic resonance (snmr) is a relatively new geophysical technique that exploits the nmr-phenomenon for a quantitative determination of the sub-surface distribution of hydrogen protons, i.e. water molecules of groundwater resources, by nonintrusive means. the idea to employ nmr techniques within the earths magnetic field to derive sub-surface water contents was first proposed by varian. it was not until the late 1970s that a group of russian scientists took up the idea and developed the first field-ready prototype of surface nmr equipment in the 1980s. it allowed for the first time the recording of nmr signals from groundwater at considerable depths in the earth. numerous field applications with the russian hydroscope-equipment encouraged the ongoing technical developments for about a decade. they were supported by several studies on the modeling, inversion and processing of surface nmr data. surface nmr became better known to western scientists when the first commercial equipment was launched by iris instruments (france) in 1996. a few groups worldwide actively pursued the fundamentalresearch and applications of surface nmr. over the past decade the continuous progress and experience has been reported at periodic international workshops (berlin 1999, orleans 2003, madrid 2006), and followed-up publishing special issues of peer reviewed journals devoted to surface nmr. continuous technical development of surface nmr measurements has been carried out and, recently, two new suites of surface nmr hardware have been made commercially available. the new systems extend the available technical possibilities towards improved noise mitigation schemes and multi-channel recording.major advances in the development of surface nmr were triggered by a revision of the fundamental equation