简易噪声测量装置设计毕业设计论文(核磁共振找水仪).doc

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) 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 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 mcu 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 noise measurement weak signal amplifier data acquisition毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 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31iv吉林大学本科毕业论文(设计)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(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。382 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、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 3.1 ina163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4500 hz，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 3.6 max260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: 配有滤波器设计软件,可改善滤波特性,带有微处理器接口;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; 对中心频率f0 和品质因数q 可独立编程; 时钟频率与中心频率比值(fclk/f0) 可达到1%(a 级); 中心频率f0的范围为75 khz。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。 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 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:： 0-9 10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。4.3 液晶显示单元在数据采集模块控制系统中，由于有比较少的内容显示。再者可以不用汉字，力求使用简单的显示模块，考虑到这些因素，因此在设计时本系统采用了常用的1602作为液晶显示模块。smc1602显示容量为16x2个字符，字符尺寸为2.95x4.35（wxh）mm。显示内容有限，不过足够本系统使用。smc1602的基本操作分为4步：读状态、写指令、读数据、写数据。对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保sta7为0 。控制器可以管理80b的显示ram。1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a”的代码是01000001b（41h），显示时模块把地址41h中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a”。smc1602有11条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显示模块的特征和显示的需求来设置。如图4.1中，p3口为液晶接口，液晶的实际图片见图4.2 。图片上的开始显示的是当前的中心频率，后面是测得的数值显示。图4.2 液晶1602图片4.3 通信单元p4为串口232通信接口，此接口与弱信号放大器通信接口相连接，用软件程序控制即可实现数据采集模块与放大器模块通信。5 测量装置软件设计 5.1 放大器模块软件设计系统选用 mcs51 系列单片机作为控制中心，主要控制 dds 产生max260时钟信号源、对 max260 的控制字编程、改变可控增益放大器ltc1564 的放大倍数。程序流程图如图5.1所示,程序上电后对ad9850和max260进行初始化设置，初始化设置的默认参数为 ad9850 频率：230000hz，max260 中心频率：2300hz，q：11.3，工作模式：模式 2。ltc1564 默认设置为 1 倍。图5.1 放大器模块软件流程图5.2 数据采集模块软件设计图5.2 数据采集模块软件流程图系统选用 stc12c54 系列单片机作为控制中心，主要控制 a/d采集数据，处理数据，送给液晶显示，取得键盘的设置，发给放大器模块进行设置。程序上电后对各模块进行初始化设置，然后扫描键盘，根据键盘的输入值执行不同的功能。6 简易噪声测量装置的整体实现与实验结果6.1 简易噪声测量装置的整体设计实现将接收天线、弱信号放大器模块和数据采集模块连接起来整体调试，整体硬件如图6.1所示。两节12v的电池串联供电，金属盒中的为弱信号放大器，黑色盒中的为数据采集模块，周围放置的是50匝1m x 1m环形天线。图6.1 整体硬件电路6.2 室内测试结果室内的电磁噪声信号较大，因此放大器放大倍数选择低增益档位，同时改变程控增益放大器的放大倍数，使得到的结果处在一个合适的范围，改变中心频率测试了一系列的结果电压值，下面给出了中心频率分别为1000hz、2326hz、3000hz时的测试结果。 （a）示波器测试波形 （b）液晶显示结果图6.2 =1000 hz，g=6 时室内测试结果 （a）示波器测试波形 （b）液晶显示结果图6.3 =2326 hz，g=1 时室内测试结果 （a）示波器测试波形 （b）液晶显示结果图6.4 =3000 hz，g=6 时室内测试结果根据装置的总体设计方案，输入端电压信号的有效值计算公式为,其中为峰值，为测得的直流电压值，us为直流偏置,为1503mv，为总体增益，为输入端信号的有效值。根据附录1中的增益，查表得：g=1,g=6时，前放低增益总增益分别为3728和17389，f0 =1000 hz，f0 =2326 hz，f0 =3000 hz时放大器输入端噪声信号有效值分别为3747nv，31876nv，43365nv。由此可知，在室内，1000 hz频率的信号小于2326 hz和3000 hz频率的信号。6.3 野外测试结果 野外的电磁噪声信号较小，因此放大器放大倍数选择低增益档位，同时改变程控增益放大器的放大倍数，使得到的结果处在一个合适的范围，改变中心频率测试了一系列的结果电压值，下面给出了中心频率分别为1000hz、2326 hz、3000 hz时的测试结果。 （a）示波表测试波形 （b）液晶显示结果图6.5 =1000 hz，g=8 时野外测试结果 （a）示波表测试波形 （b）液晶显示结果图6.6 =2326 hz，g=4 时野外测试结果 （a）示波表测试波形 （b）液晶显示结果图6.7 =3000 hz，g=1 时野外测试结果根据附录1中的增益，将结果值推算到放大器输入端，查表得：g=1,g=4，g=8时，前方低增益总增益分别为169604，644095和1320718, f0 =1000 hz，f0 =2326 hz，f0 =3000 hz时的放大器输入端噪声信号强度分别为33nv，1310nv，2029nv。由此得到，在野外，1000 hz频率的信号远小于2326 hz和3000 hz频率的信号。对比室内和野外实验，相同频率相比，室内噪声强度是野外的100多倍。野外实验地点为核磁共振找水仪可以找水测点，因此，可以以此为标准，在核磁共振的测点预先测量，于此实验结果相比对，如果测点噪声信号测值小于该标准值，则可开展找水实验，如果测点噪声信号测值远大于该标准值，则不可以开展找水实验，如果测点噪声信号测值稍大于该标准值，可尝试开展实验，最终，找到是否可以开展找水实验的临界值。而且，由测量结果知，室内是不可以开展找水实验的，这与实际相符。结论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，采用核磁共振法（rms）找水准确找水深度可达400米。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，制作了简易核磁共振找水仪噪声测量装置对环境中1khz3khz的电磁噪声进行事先估计，为核磁共振找水仪开展野外施工提供参考。本测量装置主要由接收天线，弱信号放大器，数据采集模块等部分构成。在完成仪器设计与制作的基础上，开展了大量的实验。为核磁共振找水仪野外实验确定测点提供依据。 进一步改进意见：1、对接收天线标定，取得接收天线对信号的放大倍数。2、由单片机计算处理得到放大器输入端的电压信号有效值。3、将测试得到的数值归算的磁感应强度b。参 考 文 献1康华光.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社， 1999.6 kang hua-guang. electronic technology foundation-some simulated,beijing: higher education press,1999.62马中梅.单片机的c语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社，2003.11ma zhong-mei. scm c-language application design. beijing university of aeronautics and astronautics press，2003.113何桥，段清明，邱春玲.单片机原理及应用.中国铁道出版社，2006he qiao,duan qing-ming,qiu chun-ling. theory and application of scm。china railway publishing house，20064潘玉林、张昌达，地面核磁共振找水理论和方法，中国地质大学出版社，20005冯恩信，电磁场与波，西安交通大学出版社，1999，p50-p1306张建、温坚，天线理论，电子工业出版社，2002，p30、p1207曾庆勇，微弱信号监测，浙江大学出版社，19948褶圣麟，原子物理学，高等教育出版社，19799/searchpdf/download.asp?id=163 10/abstract.aspx?a=jcdzgc20050603911/searchpdf/download.asp?id=7805-790512/searchpdf/download.asp?id=62013/searchpdf/download.asp?id=781514/searchpdf/download.asp?id=720215/searchpdf/download.asp?id=62812816/searchpdf/download.asp?id=75176致 谢本论文是在我的导师段清明老师的悉心指导下完成的。在本论文课题进行过程中，段老师不但给予了我全面的技术指导，还帮我们买材料，寻找紧缺电子元器件，花费了很多心血。在做毕业设计的三个月中，段老师不但把把他渊博的知识传授给我，而且他严谨的学术作风，精益求精的科研和工作态度以及敢于创新的精神更使我钦佩不已。在此，谨向段老师表示最真挚的敬意和感谢！在课题进行过程中，得到了各位老师、师兄、师姐的帮助，在此我要感谢王应吉老师、孙淑琴老师对我课题研究的帮助和支持；感谢荣亮亮师兄、易晓峰师兄、吴海燕师姐、王中兴师兄、尚新磊师兄在项目开发中的给予的帮助；感谢实验室的刘汉北师兄、田瑜娟师姐、李晓明师兄、贾晓晨师兄、对我的关心与支持，是他们的帮助使我顺利而愉快的完成了毕业设计。感谢我的父亲、母亲谨以此文献给他们，谢谢他们无私的爱和无尽的支持。最后感谢所有帮助和理解我的人。附录 a 弱信号放大器增益表表1 项目增益前放低增益(db)前放高增益(db)带通滤波器增益(db)开关滤波器增益(db)gain12.0445.225.833.6表2g12345678增益(db)013.414.916.617.8g910111213141516增益(db)18.419.620.421.121.522.523.123.6表3程控放大器倍数g（倍）前放低增益总增益(db)前放低增益总增益(倍)前放高增益总增益(db)前放高增益总增益(倍)171.433728104.59169604277.377389110.53336171380.5210620113.68483209483.02141561168117389117.97791198686.3620789119.52945878788.0525276121.211150006889.2629028122.421320718989.8431053123.001412879程控放大器倍数g（倍）前放低增益总增益(db)前放低增益总增益(倍)前放高增益总增益(db)前放高增益总增益(倍)1091.0035478124.1616141911191.8439084125.0017782791292.4942104125.6519156671392.9644450126.1220224371493.9349720127.0922622211594.5053062127.6624142381695.0656624128.222576321英文原文：imaging of groundwater with nuclear magnetic resonance marian hertrichthe method of surface nuclear magnetic resonance (snmr) is a relatively new geophysical technique that exploits the nmr-phenomenon for a quantitative determination of the sub-surface distribution of hydrogen protons, i.e. water molecules of groundwater resources, by nonintrusive means. the idea to employ nmr techniques within the earths magnetic field to derive sub-surface water contents was first proposed by varian. it was not until the late 1970s that a group of russian scientists took up the idea and developed the first field-ready prototype of surface nmr equipment in the 1980s. it allowed for the first time the recording of nmr signals from groundwater at considerable depths in the earth. numerous field applications with the russian hydroscope-equipment encouraged the ongoing technical developments for about a decade. they were supported by several studies on the modeling, inversion and processing of surface nmr data. surface nmr became better known to western scientists when the first commercial equipment was launched by iris instruments (france) in 1996. a few groups worldwide actively pursued the fundamentalresearch and applications of surface nmr. over the past decade the continuous progress and experience has been reported at periodic international workshops (berlin 1999, orleans 2003, madrid 2006), and followed-up publishing special issues of peer reviewed journals devoted to surface nmr. continuous technical development of surface nmr measurements has been carried out and, recently, two new suites of surface nmr hardware have been made commercially available. the new systems extend the available technical possibilities towards improved noise mitigation schemes and multi-channel recording.major advances in the development of surface nmr were triggered by a revision of the fundamental equation