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1、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1kHz3kHz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1kHz3kHz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1m X 1m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
2、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)
3、 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
4、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 MC
5、U 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 noi
6、se measurement weak signal amplifier data acquisition目 录1 绪 论11.1 本课题研究背景11.2 本课题研究目的和意义11.3 本课题研究内容22 简易噪声测量装置总体设计32.1 总体电路框图32.2 接收天线32.3 弱信号放大42.4 数据采集模块53 弱信号放大器模块设计与实现63.1 前置放大器63.2 宽带滤波器73.3 程控开关电容滤波器103.4 程控增益放大器153.5 跟随器和直流偏置、峰值检波164 数据采集模块设计与实现184.1 控制单元184.2 键盘单元194.3 液晶显示单元194.3 通信单元205 测
7、量装置软件设计215.1 放大器模块软件设计215.2 数据采集模块软件设计226 简易噪声测量装置的整体实现与实验结果246.1 简易噪声测量装置的整体设计实现246.2 室内测试结果246.3 野外测试结果26结论28参 考 文 献29致 谢30附录 A 弱信号放大器增益表311 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
8、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，
9、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(electromagnetic noise)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
10、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
11、，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
12、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1m X 1m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
13、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100
14、dB。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1m X 1m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
15、、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
