简易噪声测量装置设计毕业设计论文核磁共振找水仪.docx
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简易噪声测量装置设计毕业设计论文核磁共振找水仪
中文摘要
水是人类赖以生存的最宝贵的自然资源,为解决中国的水危机,用高新技术勘察地下水已成为当务之急。
目前,唯一能直接探测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1kHz~3kHz的环境电磁噪声对根据此方法研制的核磁共振找水仪影响很大。
本文针对这种情况对环境中1kHz~3kHz的电磁噪声进行事先估计,为核磁共振找水仪野外实验选取测点提供依据。
本设计采用1mX1m多匝天线接收电磁噪声,经过弱信号放大器对其进行放大,通过平均值检波后送入数据采集模块进行采集、处理和液晶显示,从而估计测点环境电磁噪声强弱。
本噪声测量装置通过大量室内和野外实验,验证了该装置能够有效地评估电磁噪声的大小。
关键词:
地面核磁共振找水噪声测量弱信号放大器数据采集
外文摘要
TitleDesignofSimpleNoiseMeasurementDevice
Abstract
Wateristhemostvaluablenaturalresourcesforthesurvivalofmankind.TosolvethewatercrisisHigh-techinvestigationofgroundwaterhasbecomeanurgenttask.Themagneticresonancesoundingmethod(MRS)istheonlydirectdetectionofground-watermethod.However1kHzto3kHzenvironmentelectromagneticnoiseinfluencestheNMRwaterdetectorsignificantly.Inthispaper,theenvironmentinsuchasituation1kHz~3kHzpriortotheelectromagneticnoiseisestimatedthatwaterdetectorforfieldMRSexperimentsprovideabasisforselectingthemeasuringpoint.
Thedesignusesamulti-turnloopantennawith1msidetoreceiveelectromagneticnoise,aftertheweaksignalamplifierforamplification,throughtheaveragevaluedemodulator,thesignalrecordsaresampled.ThedataisprocessedinMCUandnoiseresultisdisplayedontheliquidcrystaldisplay,whichestimatetheelectromagneticnoiseenvironment.Thedevicecaneffectivelyassesstheelectromagneticnoiseintensityaccordingtoalargenumberoflabandfieldtestselectromagneticnoise.
Keywords:
magneticresonancesoundingnoisemeasurement
weaksignalamplifierdataacquisition
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日期:
年月日
1绪论
1.1本课题研究背景
水是人类赖以生存的最宝贵的自然资源之一。
随着人类社会的进步和经济的发展以及人口的增加,对淡水的用量急增,加之水资源浪费与污染,使淡水资源越来越难以满足需要。
世界上有几十个国家严重缺水,2/3的人口面临缺水问题。
我国被列为世界上13个人均水资源缺乏的国家之一。
特别是西北、西南、华北、东北部分地区,缺水更为严重。
为解决中国的水危机,用高新技术勘察地下水成为当务之急。
核磁共振技术是当前世界上的尖端技术,用该技术找水是核磁共振技术应用的新领域,开创了应用地球物理方法直接找水的先河。
与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优点:
一是能够直接找水,特别是找淡水。
二是信息量丰富,具有量化的特点。
三是经济、快速,完成一个核磁共振侧脸的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的1/10,可以快速地提供井位及划定找水远景区。
2006年9月,科技部在“十一五”国家科技支撑计划中设立了“科学仪器设备研制和开发”重大项目。
其中,由吉林大学等承担的“核磁共振找水仪的研制与开发”已进入完善阶段,该研究成功已经打破了法国仪器的垄断地位,使我国跃居使用该技术的世界先进国家行列。
该仪器已经再内蒙古、通辽等地进行了找水试验,为这些地区打井取用地下水提供了依据。
核磁共振找水仪需要检测nV级的信号,极易受电磁环境干扰,急需一种能对试验地点的环境电磁噪声进行检测的装置,在开展核磁共振实验前,首先对核磁共振实验区开展噪声检测,用于确定该点是否可以进行核磁共振找水。
1.2本课题研究目的和意义
电磁噪声(electromagneticnoise)指一种明显不传送信息的时变电磁现象。
它的频率、相位和振幅的变化是随机的,具有不规则性。
在射频频段内的电磁噪声,称为无线电噪声;由机电或其他人为装置产生的电磁现象,称为人为噪声;来源于自然现象的电磁噪声称为非人为噪声。
各种电磁噪声的存在,会对信号微弱的地质探测仪器产生干扰,导致地质探测仪器无法正常运行。
核磁共振找水仪器是一种直接的找水方法,其信号微弱,极易受到外界电磁噪声的干扰。
针对本文中的吉林大学研制的核磁共振找水仪,对于随机噪声,有很好的消除作用,但若主要噪声在1kHz-3kHz的频带内,如果设计者在不清楚这些电磁噪声的情况下选择测点,就可能由于噪声干扰而无法进行有效的找水实验,从而浪费大量时间。
这时需要一个噪声测试仪器针对环境中1kHz-3kHz的电磁噪声进行事先估计。
本篇论文就是基于上述要求,设计并实现一种可以估计环境中电磁噪声强弱的简易装置,并用该装置到不同的实验地点开展实验,为核磁共振找水仪工作测点的选择提供参考。
1.3本课题研究内容
本文主要工作是设计一套可以为核磁共振找水仪实验点提供依据的噪声测量装置。
全文共为七章,其结构和内容安排如下:
第1章为绪论,主要介绍了本论文的研究背景、意义和主要研究内容。
第2章对简易噪声测量装置的整体结构进行了介绍,给出了该装置的整体设计方案。
第3章微弱信号放大器模块整体设计与实现,详细介绍了其模拟部分、数字部分等。
第4章数据采集模块的设计与实现,介绍了该模块采集数据、处理数据、显示数据和对放大器模块设置修改。
第5章介绍了本测量装置的软件设计。
第6章介绍了测量装置装置的整体实现和实验结果。
2简易噪声测量装置总体设计
2.1总体电路框图
系统整体上要完成的功能主要有,电磁噪声信号的接收、放大,信号的滤波,信号幅值的测量、显示。
整体电路框图如下图2.1。
可分为三部分来进行设计,第一部分为接收环境电磁噪声天线的设计,第二部分为弱信号放大器模块的设计,第三部分为采集模块的设计。
图2.1系统的整体设计框图
2.2接收天线
接收噪声天线的设计有两点要求:
1、携带方便。
2、可以感应到一定幅值的电压信号。
基于这两点要求,并经过实验测试,最后选取用漆包线绕制50匝1mX1m多匝天线。
天线参数为L=10mH,R=59欧姆。
2.3弱信号放大
微弱信号放大器的设计主要有三点要求:
一是噪声小,二是满足通频带稳定,三是各级之间的阻抗匹配。
低噪声设计主要是在给定信号源的条件下,使放大器在信号工作频率范围内有最小的噪声。
同时,要得到良好的低噪声性能,还需要尽量避免来自外部环境的各种干扰。
因此,一个低噪声放大器不仅要尽量降低内部噪声,而且要很好地排除外部干扰。
外部干扰与器件内部噪声不同,通常具有一定的规律及传送的途径,可以采取适当措施抑制各种外部干扰。
针对本文设计的放大器,根据核磁共振找水仪要求和接收线圈的等效面积,此信号为纳伏数量级,而满足A/D采集的可靠信号应在10毫伏以上,所以放大器增益应不小于100dB。
而在实验室使用时,电磁噪声信号很大,放大器增益应远小于100dB。
之间相差很大,所以把增益设计为两个档位,并且设计为可程控,各档位依放大器各级输出不饱和为原则,增益尽可能的大。
本文放大器需要测量纳伏级微弱信号,而接收天线却是50匝1mX1m的多匝天线,干扰非常大,因此需要设计一个宽带滤波器,先粗略滤除我们不需要的干扰信号,此宽带滤波器通带到阻带过度区的陡度应尽可能地大。
它最主要的应用效果是抑制工频50Hz及其2次谐波干扰以及手机、电视台、广播电台等通讯设备发出的电磁波干扰。
滤波器只能滤除从信号线引入的干扰,而从空间辐射的电磁波干扰还需加入严密的屏蔽措施和适当的接地措施。
且各级间需仔细设计阻抗匹配。
通过上述分析,放大器设计的基本要求为:
1、增益为两个档位:
高增益档位可在150000-2500000之间调整,低增益档位可在4500-50000之间调整。
2、宽带滤波器的高频截止频率为4.5kHz,低频截止频率为1kHz,滤波器通带到阻带过度区的陡度应尽可能地大,通带平稳;
3、选频滤波部分要求中心频率可变,且带宽及通带增益都可程控;
4、整体抗干扰能力强、噪声低、系统稳定。
弱信号放大器的整体电路框图可在图2.1中看出,共分为四级,电源部分由开关电源产生,数字系统用于对MAX260进行控制。
本文弱信号放大器由前置放大器,宽带滤波器,开关电容窄带选频放大器,末级程控放大器组成,分级对无用的信号抑制,并实现对所需要信号有效放大,整体放大器置于金属屏蔽壳中。
电磁噪声通过接收线圈进入弱信号放大器,经过低噪声前置放大器的放大输入给宽带滤波器,宽带滤波器由通带特性良好的双二次型高通滤波器和低通滤波器级联组成,主要是为了抑制工频50Hz及其2次谐波干扰以及手机、电视台、广播电台等通讯设备发出的电磁波干扰。
然后输入到开关电容窄带选频滤波器,选频滤波器由2片MAX260开关电容滤波芯片构成,并用DDS芯片给MAX260提供时钟,通过单片机程控,可以实现对选频滤波器的中心频率、带宽、增益等进行灵活调整,增加了放大器灵活性。
选频滤波器输出信号经过程控增益放大电路放大后输出。
整个放大器系统通过屏蔽、阻抗匹配、电源滤波等手段,抑制从接收线圈以外得到的外界电磁噪声。
2.4数据采集模块
为了在野外携带方便,选取由单片机系统控制的数据采集模块,由单片机采集、处理、显示数据,由于单片机的处理数据能力有限,所以本文需要选择一种可以简便的估计噪声情况的信号测量方案,基于这种要求,本文采用平均值检波器,检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值,测得检波后的直流电压平均值,即可估计当前电磁噪声强度。
采集模块采集信号幅度范围为0-3.5V,考虑到采样精度,需要选用采样位数不小于10位的A/D,而且考虑到对控制器的工作速度没有过高的要求,在节约成本和节省空间上的基础上,选用带A/D功能的控制器。
本模块需要人手动输入一些数据和进行控制以及显示数据处理结果,因此增加键盘输入单元和液晶显示单元。
并且可通过串口与弱信号放大器通信。
3弱信号放大器模块设计与实现
3.1前置放大器
要检测微弱信号,必然要使用放大器对其进行放大。
而放大器本身产生的噪声,对本来信噪比就比较低的微弱信号造成进一步污染。
因此,尽量降低放大器本身的噪声是首先考虑的问题,防止在信号放大的过程中使信噪比恶化。
这样,前置放大器显得由其重要,因为它所产生的噪声会经过后续各级放大器的放大作用呈现在检测电路的输出端。
3.1.1前放芯片163简介
INA163是一种低噪声、低失真的单片集成电路仪器放大器。
它的电流反馈电路可以达到非常宽的带宽和非常优秀的动态响应。
放大倍数可由外接电阻设置。
图3.1所示为INA163的内部结构图。
图3.1INA163的内部结构图图3.2前置放大器原理框图
3.1.2前置放大器硬件电路
前置放大器的原理图如图3.2。
图中的核心器件为INA163,该器件的噪声性能低,构成电路简单。
图中的P2为输入端接口,分别接线圈的两端。
R11,R12为输入端提供偏流电阻,这两个电阻比较关键,直接决定该前置放大器的输出噪声。
实际设置数值为2K,2K。
R1、R2为设置放大倍数的电阻,阻值为2K和33欧姆,应用公式
(其中:
RG即为设置放大倍数电阻,G即为放大倍数。
),
计算得放大倍数为4倍和182.8倍。
通过选择R1、R2即可实现放大器的高低增益档位控制。
3.2宽带滤波器
3.2.1电路设计及原理分析
本论文中设计的带通滤波器是由高通加低通组成的带通滤波器。
1、高通滤波器的设计
高通滤波器的电路图如图3.3所示。
图3.3二阶高通滤波器电路图
利用KCL列写节点方程得:
高通滤波器的标准式为:
两式相比较得:
2、低通滤波器的设计
低通滤波器的电路图如图3.4所示。
图3.4低通滤波器电路图
设计时使R2=R30,C49=C50,R4=(AVF-1)R7,其中AVF为低通滤波器的通带电压增益,根据这些条件,利用KCL列写节点方程得:
前面介绍的低通滤波器的标准式为
两式相比较得
根据前面的设计要求
,
,增益为20倍,算出的电路中实际参数为图中标识的数值。
3.2.2测试结果
应用MS4360网络分析仪对双二次型滤波器(包括前置放大器,置于高增益档位)传输特性进行测试,其结果如图3.5所示。
图3.5网络分析仪测试结果
通带增益71dB,前置放大器设置的增益值为182.8倍,换算为增益为45.2dB,除去前置放大器的放大倍数可以得到在通带内增益为25.8dB。
低频截止频率为1050Hz,高频截止频率为4500Hz,符合设计要求。
3.3程控开关电容滤波器
要检测信号的频率范围为1kHz到3kHz,加入程控选频放大单元,改变中心频率,提高探测信噪比。
开关电容滤波器主要可分为以下这几部分:
由单片机构成的模块控制中心,负责与数据采集模块通信,控制DDS和开关电容滤波器产生不同设置。
开关电容滤波器共采用两片MAX260共4级2阶滤波,每一级滤波中间加入阻抗匹配网络,控制增益,保证放大器不出现饱和情况。
DDS部分由AD9850构成,用来产生不同频率的时钟信号,提供给MAX260,可以使MAX260产生不同中心频率的带通滤波特性。
3.3.1开关电容滤波器MAX260特性
开关滤波器选用可编程程控开关滤波器MAX260,其编程简单,外围器件少,工作可靠性高。
MAX262芯片是Maxim公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器,可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数(包括设置中心频率、品质因数和工作方式)。
它采用CMOS工艺制造,在不需外部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。
图3.6MAX260内部结构框图
图3.6是MAX260的内部结构。
MAX260由2个二阶滤波器(A和B两部分)、2个可编程ROM及逻辑接口组成。
每个滤波器部分又包含2个级联的积分器和1个加法器。
该电路的主要特性有:
①配有滤波器设计软件,可改善滤波特性,带有微处理器接口;
②可控制64个不同的中心频率f0、128个不同的品质因数Q及4种工作模式;
③对中心频率f0和品质因数Q可独立编程;
④时钟频率与中心频率比值(fclk/f0)可达到1%(A级);
⑤中心频率f0的范围为75kHz。
3.3.2基于MAX260的程控开关滤波器
开关电容滤波器的框图如下图3.7:
图3.7开关电容滤波器MAX260电路设计原理图
开关电容滤波器采用两片MAX260,共4级2阶滤波,由于设置的带宽在100Hz左右,所以Q值很高,需要在每一级滤波中间加入阻抗匹配网络,控制增益,保证放大器不出现饱和情况。
为了减少电源噪声对电路影响,电源经过滤波后给MAX260供电。
3.3.2.1滤波器时钟源产生及控制
滤波器时钟源产生及控制电路如3.8所示。
单片机采用串行方式对AD9850进行设置,主要对40bit的频率控制字进行设置,产生所需要频率的时钟信号。
输出的信号经过74HC04整形,给MAX260提供振荡信号。
通信传输协议采用232方式,弱信号放大器作为下位机与上位机采集模块进行通讯。
图3.8单片机控制和DDS电路
3.3.2.2阻容衰减匹配网络
为了达到很窄的带宽需要很高的Q值,需要两片MAX260级联,可能出现放大器饱和现象,为了防止饱和的出现,在每级滤波器的输出加入了衰减网络来提供一定的衰减,同时提供一定的滤波作用,滤除开关电容滤波器产生的内部噪声。
电路如图3.9所示。
衰减网络的仿真传输特性如图3.10所示。
图3.9开关电容滤波器级联电阻衰减网络
图3.10阻容衰减网络传输特性
3.3.3测试结果
1、改变滤波器中心频率,DDS经过整形后的波形如下图:
(a)
=1000Hz(b)
=1750Hz
(c)
=2326Hz(d)
=3000Hz
图3.11改变滤波器中心频率DDS输出频率测试结果
改变滤波器中心频率,DDS输出频率随着变化,也即证明了滤波器的中心频率随着滤波器输入频率的变化而变化,与设计相符。
2、改变中心频率开关电容滤波器传输特性网络分析仪测试结果:
(a)
=1000Hz(b)
=1750Hz
(c)
=2326Hz(d)
=3000Hz
图3.12改变中心频率开关电容滤波器传输特性网络分析仪测试结果
从测试结果得出,当滤波器中心频率设置增大时,带宽也在相应的增大,但是在一定范围内,符合整个设计要求。
3.4程控增益放大器
图3.13程控放大器电路
图3.13为程控增益放大器设计电路,采用芯片LTC1564,放大倍数G设置范围为1-16,可通过数据采集模块上位机进行设置。
改变程控增益放大器设置传输特性测试(包括开关电容滤波器)如图3.14。
实现了程控放大的基本功能。
(a)G=1(b)G=2
(c)G=6(d)G=9
图3.14改变程控增益放大器设置时传输特性测试
3.5跟随器和直流偏置、峰值检波
给经过放大、滤波的信号加一1.62V的直流偏置,使输出信号为正值,再经过跟随器,降低输出阻抗,以减少对后续电路的影响。
电路如图3.15。
采用平均值检波器对通过跟随器后的电压检波,本文采用半波检波,检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值,如图3.16(a)为简单的二极管阻容检波电路,电路仿真结果如图3.16(b)。
图3.15直流偏置和跟随器电路设计图
(a)电路原理图
(b)EWB仿真结果
图3.16峰值检波电路
4数据采集模块设计与实现
数据采集模块电路设计图如图4.1所示。
包括控制器及其外围电路和各种接口。
外围电路有复位电路和外部晶振电路,接口包括下载接口(P7)、电源接口、串口通信接口、A/D输入接口、键盘接口和液晶显示接口。
图4.1单片机硬件电路设计图
4.1控制单元
采用宏晶科技推出的STC12C5410AD系列单片机STC12C5408AD作为数据采集模块的主芯片,STC12C5408AD是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍,内部集成MAX810专用复位电路。
4路PWM,8路高速10位A/D转换,可在强干扰场合使用。
4.2键盘单元
典型的单片机系统中,都有人机对话的功能。
它包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。
人机对话配置水平、规模与应用系统的规模、特点有关。
人对系统的干预和数据输入的外部设备最常用的是键盘,有向系统状态实现干预使能键和向系统输入数据的数字键等。
由于单片机系统的专用性,因此对不同类型的系统,输入设备也会有很大不同,在设计系统时必须根据系统的特点设计出适合需要的输入设备类型。
本文的数据采集控制器共需要14个按键,采用矩阵连接式无编码类型结构键盘,即4X4键盘,共16个按键。
如图4.1中,P2口为键盘接口,R2、R3、R4、R5为限流电阻,防止按键按下时电流过大损坏单片机I/O口。
16个按键中,包括:
:
0-910个数字键,修改程控放大器增益键(G),确认键(Enter),修改中心频率按键(f0),测量键(M)。
键盘程序的功能是准确读入被按下键的键值。
这里影响键值读取的主要因素是在键刚刚按下时会有抖动现象,这里要考虑去抖动的问题。
在实际应用中,有两种方法可以用来去除抖动的影响。
一种是完全消除抖动现象,使之不能发生,这可采用硬件电路的方法。
另一种是采用软件的方法,规避抖动对读取键值的影响,即采取延时的方法,在抖动过后再读取键值。
本文中,出于成本的考虑,采用软件的方法来消除抖动的影响。
4.
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