【正文】 intensity according to a large number of lab and field tests electromagic noise. Keywords： magic resonance sounding noise measurement weak signal amplifier data acquisition I 目 錄 1 緒 論 ..........................................................................................................1 本課題研究背景 .................................................................................1 本課題研究目的和意義 .....................................................................1 本課題研究?jī)?nèi)容 .................................................................................2 2 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì) ......................................................................3 總體電路框圖 .....................................................................................3 接收天線 .............................................................................................3 弱信號(hào)放大 .........................................................................................4 數(shù)據(jù)采集模塊 .....................................................................................5 3 弱信號(hào)放大器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ..................................................................6 前置放大器 .........................................................................................6 寬帶濾波器 .........................................................................................7 程控開關(guān)電容濾波器 .......................................................................10 程控增益放大器 ...............................................................................15 跟隨器和直流偏置、峰值檢波 .......................................................16 4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ........................................................................18 控制單元 ...........................................................................................18 鍵盤單元 ...........................................................................................19 液晶顯示單元 ...................................................................................19 通信單元 ...........................................................................................20 5 測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì) ....................................................................................21 放大器模塊軟件設(shè)計(jì) .......................................................................21 II 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì) ...................................................................22 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 ............................................24 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ...............................................24 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果 ...................................................................................24 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 .......................................................................31 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 1 1 緒 論 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。 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 。然而 1kHz～ 3kHz 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。 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）。本文針對(duì)這種情況對(duì)環(huán)境中 1kHz～ 3kHz 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 。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。我國被列為世界上 13個(gè)人均水資源缺乏的國家之一。為解決中國的水危機(jī)，用高新技術(shù)勘察地下水成為當(dāng)務(wù)之急。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。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)。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)打破了法國儀器的壟斷地位，使我國躍居使用該技術(shù)的世界先進(jìn)國家行列。 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 。它的頻率、相位和振幅的變化是隨機(jī)的 ,具有不規(guī)則性。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。 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 1kHz3kHz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 。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。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 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 5章 介紹了 本測(cè)量 裝置的軟件設(shè)計(jì)。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 3 2 簡(jiǎn)易噪聲測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì) 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?？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)。 可以感應(yīng)到一定幅值的電壓信號(hào)。 天線參數(shù)為 L=10mH, R=59 歐姆。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。 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。 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。 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。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。且各級(jí)間需仔細(xì)設(shè)計(jì)阻抗匹配。 寬帶濾波器的高頻截止頻率為 ，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)； 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? 整體抗干擾能力強(qiáng)、噪聲低、系統(tǒng)穩(wěn)定。 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，整體吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 5 放大器置于 金屬 屏蔽殼中。 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。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。 采集模塊采集信號(hào)幅度范圍為 ，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。 并且可通過串口與弱信號(hào)放大器通信。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。 這樣，前置放大器顯得由其重要，因?yàn)?它所產(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。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)。圖 所示為 INA163 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。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。 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。 R 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 60001 GG R?? （其中： RG即 為設(shè)置放大倍數(shù)電阻 ， G即為放大倍數(shù)。 通過選擇 R R2即可實(shí)現(xiàn)放大器的 高低 增益檔位控制。 高通濾波器的設(shè)計(jì) 高通濾波器的電路圖如圖 所示。 411121314DU2DLT149