地面核磁共振找水儀放大器設(shè)計(jì)(二)

在EWB上構(gòu)建一個雙二次型帶通濾波器，中心頻率1kHz，通帶增益10，通頻帶寬度為Bw.當(dāng)調(diào)節(jié)Bw為100 Hz時，圖6信號通過該濾波器的輸出波形如圖9(a)所示。而當(dāng)Bw為10 Hz時，圖6信號通過該濾波器的輸出如圖9(b)所示。可見，兩種帶寬輸出都產(chǎn)生了失真，濾波器帶寬越窄失真越大。為了提高信噪比， Bw不能太寬，而兼顧失真度，它又不能太窄，所以設(shè)計(jì)NMR放大器Bw為100Hz.失真主要是起始部分，可以在數(shù)據(jù)處理時按照后面的衰減規(guī)律往前延拓恢復(fù)原信號?？梢园袯w設(shè)計(jì)為可程控參數(shù)，當(dāng)干擾較小時，帶寬可以大一些。從頻譜分析可知， T*2越小， NMR信號頻帶越寬。而地面核磁共振找水儀主要尋找自由水，有開采價值的測點(diǎn)T*2一般在100ms以上。所以Bw為100Hz的放大器處理100ms以上的NMR信號效果會更好。

3.2放大器增益設(shè)計(jì)

要探測深度150m及以下的水，信號為nV數(shù)量級。而滿足A /D采集的可靠信號應(yīng)在10mV以上，所以放大器增益應(yīng)達(dá)到140dB.而在探測淺層水時，信號可能較大，放大器增益不能太大。所以把增益設(shè)計(jì)為可程控，進(jìn)一步可以設(shè)計(jì)為自動增益測量。以放大器各級輸出不飽和為原則，增益盡可能地大。為了提高信噪比，前置放大器以低噪聲和滿足濾波器輸入要求為主要考慮因素，放大倍數(shù)不必太大。各級間需仔細(xì)設(shè)計(jì)阻抗匹配，而且前置級還需設(shè)計(jì)噪聲匹配。

3. 3屏蔽與接地

檢測nV級信號的濾波器只能濾除從信號線引入的干擾，而從空間輻射的電磁波干擾必須由嚴(yán)密的屏蔽措施和適當(dāng)?shù)慕拥卮胧┙鉀Q。本放大器用一定厚度的合金加工形成多層密閉的放大器屏蔽盒，盒體接大地。在長春市腰高家窩堡已經(jīng)測到小于50nV的NMR模擬信號。

4 NMR放大器總體設(shè)計(jì)

圖10為NMR放大器總體框圖。在全世界范圍內(nèi)，地磁場強(qiáng)度在30000nT(在赤道附近)到60000nT (在南極、北極)范圍。拉莫爾頻率f0(Hz)= 0.0426B0(nT).

所以f0 = 1. 278~ 2. 556 kH z，在此范圍以外就是干擾信號。本放大器中設(shè)計(jì)了一個低頻截止頻率fL=1kHz，高頻截止頻率fH=3kHz的寬帶濾波器。這個濾波器過渡帶的陡度應(yīng)盡可能地大。它最明顯的應(yīng)用效果是抑制工頻50Hz及其二次諧波的干擾，以及各種通信及廣播干擾。

NMR放大器需要測量nV級微弱信號，而接收天線卻是400~ 600 m長的電纜圍成的環(huán)狀天線，所以放大器的Bw越窄越好。但由上述可知,Bw太窄又會引起信號失真，需要設(shè)計(jì)Bw為可程控參數(shù)，所以選擇了f0、Bw和通帶增益都可以程控的開關(guān)電容濾波器MAX260作為程控窄帶濾波器。應(yīng)用開關(guān)電容濾波器的缺點(diǎn)是其時鐘可能給弱信號放大器引入干擾。這里采用前置級二次屏蔽、隔離、濾波等措施解決。程控增益放大器是為了適應(yīng)信號強(qiáng)度大范圍變化而設(shè)計(jì)的。前置放大器的增益也可以程控，以提高信噪比。

5測試結(jié)果

5. 1寬帶濾波器頻率特性測試

測試設(shè)備： MS4360B網(wǎng)絡(luò)分析儀。

測試結(jié)果：圖11中的0、1、2、3、4分別為5個測試點(diǎn)， A0、A1、A2、A3、A4為與圖片對應(yīng)的測試值。

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