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低頻正弦波形發(fā)生器仿真與設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2013-03-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

利用核磁共振方法勘查地下水就是利用一個(gè)鋪在地面上的線圈發(fā)射并接受NMR信號(hào),線圈中需通入某一諧振頻率(拉莫爾頻率即氫質(zhì)子在地磁場(chǎng)中的旋進(jìn)頻率)的正弦波作為激發(fā)源。欲獲得合適的正弦波,分析了諧振電路的頻率特性,對(duì)進(jìn)行仿真,得到相應(yīng)的仿真結(jié)果,從而設(shè)計(jì)了實(shí)際發(fā)射電路,并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得與仿真電路一致的結(jié)果,解決了將直流電源能量轉(zhuǎn)化為交流能量發(fā)射的實(shí)際需要。該優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)射波形沒(méi)有衰減,且發(fā)射電流持續(xù)時(shí)間可調(diào)節(jié)。

1引言

在核磁共振( NMR)測(cè)深工作中需要發(fā)射某一頻率的正弦波作為激發(fā)源,這一頻率與地磁場(chǎng)大小滿足一定的關(guān)系,如式(1)。NMR測(cè)深中認(rèn)為地磁場(chǎng)B0是均勻的,地磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了拉莫爾頻率,即激發(fā)電流的頻率。由激發(fā)電流建立激發(fā)磁場(chǎng)作為一次場(chǎng),激發(fā)場(chǎng)的強(qiáng)度用激發(fā)脈沖矩q= I0τp表示。當(dāng)激發(fā)電流斷開(kāi)后,用同一天線(發(fā)射/接收)接收由于二次場(chǎng)(弛豫磁場(chǎng))變化而在接收天線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(即NMR信號(hào))的弛豫場(chǎng)。在穩(wěn)定地磁場(chǎng)B0(地磁場(chǎng))作用下,具有一定磁矩的氫核繞外磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)頻率由拉摩爾方程決定:

式中: f0為拉摩爾頻率; γ為旋磁比。

根據(jù)實(shí)測(cè)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度B0,就可由式( 1)求出水中質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)頻率(拉摩爾頻率)

理論上流過(guò)天線的交變電流脈沖的包絡(luò)線為矩形,如圖1(a)所示。其中: 1≤t≤τp ;ω0= 2πf0; I0 ,Sp分別為交變電流脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間。發(fā)射電流的幅度與持續(xù)時(shí)間的乘積( q = I 0τp )決定了勘探深度,圖1( b)為天線上接收到的NMR信號(hào),該信號(hào)按指數(shù)規(guī)律衰減。

實(shí)際工作中需要利用直流電源能量轉(zhuǎn)化為交流能源作為激發(fā)場(chǎng),為獲得合適的發(fā)射電流,對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。

2諧振發(fā)射單元的設(shè)計(jì)

選頻電路可以得到合適的正弦波輸出。選頻電路按功能可分為低通濾波電路、帶通濾波電路、高通濾波電路、帶阻濾波電路等;按原理可分為諧振式選頻電路、集中選頻電路、陶瓷濾波器、聲表面波濾波器、晶體濾波器等。該發(fā)射電路采用諧振式選頻電路。在電路中,信號(hào)本身不是單一頻率的信號(hào),而是占有一定頻帶寬度的頻譜信號(hào),這就要求選頻電路的通頻帶寬度應(yīng)與它所傳輸信號(hào)有效頻譜寬度相適應(yīng),為不引入信號(hào)的幅度失真,理想的選頻電路的通頻帶內(nèi)的幅頻特性H(f)應(yīng)滿足:

為抑制通頻帶外的干擾,選頻電路通頻帶外的幅頻特性H(f)應(yīng)滿足H(f)= 0.顯然理想的幅頻特性應(yīng)是矩形,實(shí)際的幅頻特性接近矩形,圖2的縱坐標(biāo)是: α(f)= H(f)/ H (f0),接近的程度與選頻電路本身結(jié)構(gòu)形式有關(guān),通常用矩形系數(shù)K表示,定義為:

式中: 2Δf0.7為α(f)由1下降到1/√2時(shí),兩邊界頻率f1與f2之間的頻帶寬度,稱為通頻帶,用B表示, B = f1- f2= 2Δf0.72Δf0.1為α(f)下降到0.1處頻帶寬度,理想值K=1,實(shí)際值均大于1.

信號(hào)通過(guò)選頻電路,為不引入信號(hào)失真,要求在同通頻帶范圍內(nèi)相頻特性應(yīng)滿足:

即信號(hào)有效頻帶寬度之內(nèi)的各頻率分量通過(guò)選頻電路之后,都延遲一個(gè)相同的時(shí)間,這樣保證輸出信號(hào)中各頻率分量之間的相對(duì)關(guān)系與輸入信號(hào)完全相同。


欲獲得頻率為當(dāng)?shù)乩獱栴l率的交變電流,且脈沖幅度足夠大,可以采用諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn), RLC串聯(lián)諧振電路如圖3所示,R,L為電感線圈內(nèi)阻和電感, C為回路電容, VCC為外加電動(dòng)勢(shì)。由圖3可知回路阻抗為

若使激勵(lì)源角頻率等于回路諧振角頻率時(shí),即ω= ω0= 2πf0= 1/√LC ,此時(shí)|Z| = R, |Z|為最小值,回路呈純電阻性,ψz= 0,回路電流達(dá)到最大。回路中的諧振角頻率決定于回路本身參數(shù),與激勵(lì)源無(wú)關(guān),圖3是采用兩種激勵(lì)源(正弦波和方波)所構(gòu)成的諧振電路,用仿真測(cè)試到的線圈兩端電壓波形如圖4所示,理論計(jì)算出回路的品質(zhì)因數(shù)Q= ω.即為ω.L/ R = 50.當(dāng)回路諧振頻率f0一定時(shí),通頻帶2Δf0.7與Q成反比,即:2Δf0= f0/Q1在正弦波激勵(lì)下,圖4( a)的Q大約為60,與理論計(jì)算數(shù)值基本相符,在方波激勵(lì)下,圖4(b)的Q大約為8.通過(guò)仿真可知:在LC串聯(lián)電路中采用方波驅(qū)動(dòng)時(shí)線圈負(fù)載也可獲得諧振電壓波形。那么合適的方波信號(hào)是從開(kāi)關(guān)電源獲得的,開(kāi)關(guān)電源所提供的電壓增大,負(fù)載上即可獲得更大的電流。實(shí)際工作中采用直流電源供電,因此利用方波激勵(lì)以獲得諧振輸出電流或電壓波形。



(開(kāi)關(guān)電源中利用的開(kāi)關(guān)管要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,實(shí)際工作中開(kāi)關(guān)從開(kāi)通到關(guān)斷瞬間會(huì)出現(xiàn)反向過(guò)沖,易損壞開(kāi)關(guān),因此實(shí)際諧振電路如圖5所示。電路中R1,R2為漏電等效電阻,C1和C2為電容,電源電壓為直流12V.

3室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)電路如圖5,電路中開(kāi)關(guān)T上電壓VCC取值為4V,兩個(gè)電容C1 ,C2容量為6μF,天線內(nèi)阻取R1= 0.2歐, L = 0。5 mH,開(kāi)關(guān)上持續(xù)提供占空比為50%的矩形波信號(hào),利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器TDS1012測(cè)試到天線兩端電壓電流波形如圖6( a)、圖6( b)所示,從電壓波形可以看出波形為完好正弦波,幅值達(dá)到75 V,相當(dāng)于將電源電壓4 V擴(kuò)大將近18倍,此時(shí)回路發(fā)生串聯(lián)諧振。電流波形幅值可求I = 2 V/ 0.2歐 = 10 A,電流大小主要取決天線內(nèi)阻,若天線內(nèi)阻增大則電流值減小,從電壓電流波形還可以測(cè)試出諧振頻率為f0= 2500 Hz,滿足當(dāng)?shù)乩獱栴l率數(shù)值。



4結(jié)束語(yǔ)

諧振發(fā)射單元設(shè)計(jì)是通過(guò)分析法國(guó)找水系統(tǒng)工作過(guò)程,通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行理論仿真分析,設(shè)計(jì)實(shí)際諧振發(fā)射單元的方案,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得實(shí)際電路與仿真電路發(fā)射電壓和電流波形相一致的結(jié)論,從而驗(yàn)證發(fā)射單元設(shè)計(jì)的可行性。

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