质子磁力仪激发接收系统设计

1、Overhauser质子磁力仪激发与接收设计摘要：随着科技的发展、社会的进步，人们对于磁测量的要求也越来越高，现有的质子磁力仪已难以满足现代化测量的需要。本文针对现有国产仪器功耗大、测量精度差、稳定性不高的问题，首先在介绍过Overhauser效应基本原理的基础上，初步设计了基于Overhauser效应的质子磁力仪，采用ARM超低功耗芯片作为主控，提升仪器性能、降低功耗，设计使用新型CPLD器件进行频率测量，给出了仪器的设计框图，说明了设计的要点。之后重点介绍了仪器的激发接收系统设计方案，该方案使用MSP430F149单片机作为主控板，激发系统使用可控射频功率信号源作为信号激发单元，对可控射频

2、功率信号源进行了较为详尽的介绍，给出了设计框图，介绍了各个主要部分的设计与原理，讨论了进行抗干扰设计的思路；又设计了接收系统，该系统具备信号放大与滤波功能，使用专用仪器仪表放大器进行信号放大，设计模拟电路进行了信号带通滤波获取有用信号。在最后进行了设计的总结与展望。 关键词：Overhauser效应；磁力仪；ARM芯片；探头激发；放大滤波 OVERHAUSER magnetometer excitation and receiving part design Abstract：With the development of science and technology, the progres

3、s of the society, the requirement of magnetic measurement is becoming higher and higher. It is difficult for the existing proton magnetometer to meet the needs of modern measurement. This article is in view of the existing domestic instruments problems, such as big power consumption, high measuremen

4、t precision, poor stability. First of all, on the basis of the introduction of basic principle of Overhauser effect, preliminarily designs the proton magnetometer based on the Overhauser effect. It uses ultra-low power consumption ARM chip as the master, which can improve instrument performance and

5、reduce the power consumption. The frequency measurement is designed to use new CPLD device. Besides, the article gives instrument design block diagram, and illustrates the main points of the design. After that, this article introduces the instrument of the receiving systems design scheme. The scheme

6、 uses MSP430F149 which is a single chip microcomputer as the main control board. The excitation system uses controllable RF power source as the signal excitation unit. It shows a more detailed introduction of the controlled radio frequency power source, gives the design diagram, introduces the desig

7、n and principle of each main part, and discusses the thought to design anti-interference measures. The receiving system is designed too. The system has the functions of signal amplification and filtering. It uses a dedicated instrumentation amplifier for signal amplification, and designs analog sign

8、al band-pass filter to obtain the useful signal. At last, it gives summary of this design and talks about some outlooks. Key words: Overhauser effect; Magnetometer; ARM chips; excitation of the probe; amplification filter 绪论1.1 课题研究意义 随着科技的发展与进步，人们对磁场测量提出越来越高的要求，各种测磁仪器也获得了极大的发展。这些仪器被广泛的用于地面地磁场测量，航空地

9、磁场测量，海洋磁场测量，井中磁场测量，卫星磁测等各种平台。总体而言这些应用可以分为以下几个方面1-5：1）测量局部地磁场的异常，为地质勘查，地质找矿提供依据。这种探测主要是针对自然界中一些特殊的岩石或者是矿石。岩石由于自身具有一定的磁性，因而会产生包含自身信息的磁场，这样就会使地磁场在局部发生变化，产生局部地磁异常。利用这些局部异常就可以找到相应的矿体，同时还可以对这些矿体周围的地质构造进行研究。直接利用磁法勘探也是常用的地球物理勘探方法之一，这种方法在寻找和勘探一些特殊矿产，如铁矿、铅锌矿、铜矿等的过程中效果显著，另外还可以进行地质填图。通过测磁还可以对地震前兆、火山活动状态以及其它环境及灾

10、害地质工作等进行监测与研究。据调查，全世界60%的勘查工作都是由质子旋进磁力仪完成。2）铁制军火侦测，铁桶、铁罐等铁制品埋藏物定位，管线探测。一个非常典型的应用就是军事上的反潜，现在欧美很多国家在反潜机上都会配置磁异常检测系统，以检测潜艇在地磁场中产生的异常信号，P-3猎户反潜机安装在尾锥上的 MAD磁异常侦测器。3）人体磁场检测，主要是脑磁的测量。脑磁测量是一种介于微观研究单神经元和宏观研究脑功能的一种新研究方法，这种方法利用脑磁成像技术，研究达到皮层内部神经群的活动。由于这种方法对人体无害，因而发展非常有前途。在测磁需求及其应用领域得了极大发展的同时，测磁技术也获得了飞速发展。测磁技术在近

11、一百年的时间里发生了巨大的变化，历经三代发展。按照磁力仪的发展历史，以及应用的物理原理，可分为：第一代磁力仪：它是根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置制作的，这些磁力仪都是测量磁场相对量的仪器，并不能测量磁场的绝对值。第二代磁力仪：它是根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金或富含氢质子的溶液制成高灵敏度传感器进行磁场测量，如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。第三代磁力仪：它是根据低温量子效应原理制作的，如超导磁力仪。本文中所研究的Overhauser磁力仪属于第二代磁力仪中的质子磁力仪，是这种磁力仪的一个分支，也是由普通的质子磁力仪改进而成。与普通质子

12、磁力仪相比，Overhauser磁力仪具有功耗低、精度高、稳定性能好、工作效率高等优点。我国在能源、国家安全、医学研究方面的发展对测磁技术与测磁仪器的要求将越来越高，而目前使用最多的第二代测磁仪器中又以质子磁力仪应用最为广泛、技术最为成熟，因而研究Overhauser磁力仪对于提高我国质子磁力仪应用水平与技术实力具有相当的实际意义。本文正是从这一角度出发，研究Overhauser磁力仪原理与关键技术。1.2 Overhauser质子磁力仪的发展与现状 帕卡德与瓦里安先后于1953年与1954年在实验室中观察到质子在地磁场中自由旋进的现象。而布鲁姆、帕卡德与卡希尔、沃斯图等分别在1955年与19

13、56年提出利用质子在地磁场中自由旋进现象制作磁力仪来检查地磁场。1959年美国就已经在卫星上使用质子旋进磁力仪了6-8。 以Overhauser效应为基础制成的Overhauser磁力仪比普通磁力仪出现稍晚。在欧弗豪泽（Overhauser）于1953年首次对这种效应进行研究的几年后，法国物理学家Abragam A.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应。之后，Solomon I.推导出了以他的姓氏命名的Solomon方程式，由这个方程式的解可以明显的看出Overhauser效应。20世纪60年代初,Abragam A.和Solomon I.一同率先在加拿大和美国申请了关于利

14、用Overhauser效应制造磁力仪的专利，之后的几十年中，Overhauser磁力仪得到了长足的发展。20世纪60-70年代，法国、加拿大和苏联先后制造了Overhauser效应航空磁力仪并投入使用。在不断的发展中OVM（Overhauser effect magnetometer，欧弗豪泽效应磁力仪）也应用于军事方面，其中，法国反潜飞机和反潜直升机均采用OVM作为MAD（Magnetic Anomaly Detection，磁异常探测）。之前丹麦发射的Oersted磁测卫星和德国的CHAMP重、磁两用卫星，都采用了OVM测量地磁场标量，由法国LETI设计制造。欧洲航天局(ESA)计划发射的

15、AMPERE卫星也准备采用OVM测量地球磁场的标量。现在市场上出现的Overhauser磁力仪主要是加拿大GEM公司生产的GSM-19系列Overhauser高精度磁力仪。它具有小于0.022nT/Hz的灵敏度，0.01nT的分辨率和0.1nT的绝对精度，它的动态范围可达20000nT至nT。另外，俄罗斯生产的POS系列Overhauser磁力仪也已经投入市场，它可以达到0.001nT的分辨率。质子磁力仪未来的发展有两个方向，其一是向着高精度、低功耗发展，如Overhauser磁力仪；其二则是提高磁力仪的集成度，向便携式、多功能方向发展。市场上在未来将会涌现出更多的Overhauser磁力仪产

16、品。1.3 本文研究的主要内容与安排Overhauser质子磁力仪的研究是一个大课题，其中包含了电路设计和探头设计等部分，本文主要研究的是Overhauser质子磁力仪的激发接收电路设计部分。本文首先研究了Overhauser质子磁力仪的基本原理，研究了其基本电路结构，在了解其基本工作方式和工作参数的基础上设计了仪器的激发接收电路。文章主要分为以下几个部分：第二章，主要研究Overhauser质子磁力仪的基本原理，设计了磁力仪的基本结构。第三章，主要研究了Overhauser质子磁力仪的总体设计方案，讲述了仪器主控系统的设计思路，确定了主控芯片的选型，简要提出了进行信号测量的方法，概述了其他部

17、分的设计方法。第四章，设计了探头信号的激发接收系统。设计了可控射频功率信号源进行探头激发。在接收系统中设计放大器和带通滤波器来进行信号处理，其中，通过带通滤波器进行带通滤波来保证信号的信噪比，设计多级放大器来将信号放大加以检测。第五章，对此次设计进行了总结，并对未来仪器的发展进行了一些展望，讲述了我个人的一些想法与设计。第六章，致谢部分，对指导老师和帮助过我的同学表示感谢。 Overhauser质子磁力仪工作原理欧弗豪泽于1953年发现了金属中的这种现象并以他的名字命名了这种效应，之后法国的物理学家Abragam A.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应，这些为之后Over

18、hauser质子磁力仪的研究打下了基础。本章中主要介绍质子自旋与进动弛豫现象，讲述了Overhauser磁力仪的基本原理，研究这种效应在质子磁力仪中的应用，以及在接收线圈中的感应信号特征。2.1 质子进动原理与弛豫现象2.1.1 质子自旋与自由态质子带正电，其拥有1/2的自旋量子数，具有自旋磁矩，在没有外场的状态下，单个质子自旋的磁矩方向不确定，整个物体不显磁性，只有当物体的质子按照统一的方向排列时才显出磁性。质子的转动模型比较复杂，可以简单的认为是带点小球的转动。图2.1 质子自旋自由态2.1.2 质子在外场作用下的运动状态 在外场作用下，质子的运动会发生明显的变化，关于在外场作用下物质质子

19、的运动有两种解释，简述如下9-10：第一种解释：如图2.2所示，质子的磁矩 M 在有外场的作用下，绕外场旋转，构成质子的进动，这样物质的总磁矩就会在外场方向体现，这样就表现为一个总磁矩，物质就有了磁性，但是有沿着外场方向的磁矩，也有逆着外场方向的磁矩，而且这两种磁矩方向相反，大小几乎相等，所以整个物质对外还是不显磁性。图2.2 外场作用下质子自旋示意图第二种解释：第二种解释是从量子力学的角度加以分析的。如之前所说，质子的自旋量子数为 1/2，在外场的作用下发生能级分裂，质子的自旋磁矩分裂为两个能级：高能级和低能级，高能级质子的磁矩方向与外场方向相反，低能级质子的磁矩方向与外场方向相同，高低能级

20、的粒子数满足波尔兹曼分布，低能级的粒子数要稍高于高能级的粒子数，整体上物质不显磁性。如图2.3所示。图2.3 外磁场作用下质子能级发生分裂2.1.3 质子进动弛豫过程 在外磁场消失后，质子的自旋状态会发生改变，由原来的双能级状态逐渐恢复到原来的平衡状态，这一过程为弛豫过程，这个过程遵循指数衰减，这样过程中又有两个子过程，一个是纵向弛豫时间 ，一个是横向弛豫时间 ， 又称晶格弛豫时间， 是自旋弛豫时间，这两个弛豫过程都会使物质的总磁矩衰减，最终归于平衡状态。如果在没有外场的质子中突然加上外场，质子就会以相同的过程由原来的平衡状态变到双能级的分裂状态。以下以氢质子为例来简述这一质子弛豫过程：设稳定

21、磁场为地磁场，在其垂直方向上施加射频磁场脉冲。该脉冲被称为/2 脉冲或90脉冲，脉冲频率等于氢质子在地磁场中的拉莫尔频率，脉冲宽度t为施加射频磁场的时间，有公式，式中，被称为扳倒角，是地磁场与 M 的夹角，调整 t 或 使 ，磁化强度将转向垂直地磁场的方向，此时将脉冲停止，磁化强度除了围绕射频磁场进动外，还要随旋转坐标系绕z轴旋转，这2种运动合成如图2.4所示的螺旋形运动。图2.4 磁化强度的自由进动螺旋形衰减在90脉冲作用后，产生了磁化强度的横向分量，磁化强度矢量 M 绕恒定磁场 进动，由于弛豫作用磁化强度的横向分量，按指数形式随时间衰减，衰减的特征时间为，磁化强度的纵向分量随时间增长，趋向

22、其平衡值，增长的特征时间为，称为磁化强度的自由进动衰减。该过程被称为质子弛豫过程。弛豫过程实际上是质子与外界交换能量的过程，在撤去外场的时候，质子通过自旋与外界交换能量，最终回到平衡状态。2.2 Overhauser磁力仪 Overhauser磁力仪基本原理是，将带有不成对电子的特殊液体与氢原子结合并置于射频(RF)磁场之中进行极化，随之被极化的不成对电子便会将其极化信息传递给氢原子，于是就产生了进动信号。这种进动信号对总磁场强度的变化有很高的灵敏度，特别适用于高精磁测。与直流极化和静态极化质子磁力仪不同，overhauser磁力仪采用的是动态极化的方式。2.2.1 Overhauser效应在

23、磁力仪中的应用普通质子磁力仪与Overhauser磁力仪之间最大的区别在于二者的质子自旋群有偏差。Overhauser效应是一种利用电子-质子耦合来完成质子极化的现象。一种包含一个自由基原子（有一个自由电子的原子）的特制化学物质被添加到含有丰富质子的液体之中。流体中的游离电子可以容易而有效地受到符合特定能级跃迁的低频射频辐射的激发。游离电子会将其转移到临近的质子中，而不是作为辐射源重新激发这种能量。这种质子极化的方式不需要构建一个很大的人工环境磁场。极化时，一个Overhauser磁力仪中的质子自旋群将会遵循以下关系： (2-1)这里，h是普朗克常数(6.626 Js),是质子旋转角频率, 是

24、电子自旋角频率。其中， 是一个环境场的函数， 则很大程度上依赖于Overhauser化学分子的结构。2.2.2 探头的磁场测量Overhauser磁力仪探头传感器有两个线圈，一般是绕在盛有Overhauser溶液的玻璃容器外面11-12。特殊液体存在电子自旋和质子自旋两个自旋系统，常采用具有稳定自由基的有机溶剂作为工作物质 。一个是激励线圈，与射频振荡器连接，射频频率等于工作物质中电子在地磁场的共振频率(VHF)；另一线圈是信号接收线圈，接收overhauser效应所产生的信号。此信号频率与待测地磁场关系为 (2-2)此式中：T 为地磁场强度，nT；f 为接收信号频率，Hz； 为与质子有关的常

25、数，称为磁旋比， =(2.0.)，它不受外界因素如温度、压力、湿度的影响，并且有相当精确的测定结果。因而，由（2）得到， (2-3)由该式，可以将磁场的测量转换为探头传感器对于稳定自由基质子自旋频率的测量。2.2.3 探头中感应线圈产生感应电动势信号分析根据2.1.3中模型，放置线圈使其轴线与y轴方向一致，由电磁学公式有 (2-4)被磁化的研究对象通过接收线圈会产生磁通量，表示为 (2-5)此式中， 为线圈匝数，A 为线圈面积。线圈中产生的感应电动势为 (2-6)由于式中括弧内两项之比远小于1，故忽略余弦项，得到 (2-7)此式表示感应电动势随时间呈现周期式变化，其角频率，其大小随着时间按照指

26、数规律衰减，被称为自由感应衰减（free induction decay，缩写为FID）信号。当 一定时，感应电动势与时间呈现指数规律（图2.5）。图2.5 感应电动势随时间衰减2.3 本章小结 本章首先对质子旋进现象进行了解释，阐述了溶液中质子在自由状态下以及在外场作用下的运动规律，给出了经典解释与量子力学解释。在外场作用下溶液会显示出顺磁特性，质子会在沿外场方向上显出磁性。接着文中详细的介绍了对溶液进行极化，在撤掉外场后，质子空间中呈现螺旋运动形势衰减。最后给出了探头结构以及线圈中感应信号的衰减形式，从理论上研究了整个极化过程以及旋进信号特征。 Overhauser质子磁力仪结构总体设计国

27、内现有的磁力仪大多是基于单片机进行设计，虽然其满足了功耗低、操作简便等要求，但是可扩展性较差、功能单一，已经难以满足现在越来越高的测量要求。因此，为了使此次设计的Overhauser磁力仪具有更加完善的功能，我基于ARM进行了仪器结构的设计。质子磁力仪由于需要在野外使用，因而功耗低、功能强、使用方便、稳定性好成为其设计所需要实现的主要目标。其次，是否具有多样化的功能也是一台磁力仪设计是否优秀的重要参考因素。本章中主要介绍了Overhauser磁力仪的结构设计，具体设计了每一个主要的部分，同时给出了大致的设计电路连接图作为参考。3.1 仪器总体设计图3.1为Overhauser质子磁力仪总体设计

28、结构框图。图3.1 Overhauser磁力仪总体结构框图其中，主控CPU采用低功耗ARM芯片，频率测量使用新型CPLD器件设计以保证高精度测量。仪器内建GPS模块，并扩展64M的EEPROM存储器。仪器通过USB接口与PC相连，以进行仪器升级、数据传送等操作，同时USB接口还可以连接USB设备，如U盘、移动硬盘等进行数据转存读取。设计存储卡接口以方便数据的存储与导出。3.2 主控CPU在本章开头已经讲到，磁力仪主要用于野外测量，因而功能强、功耗低是磁力仪设计的一个重要标准。因此，我选用意法半导体生产的超低功耗32位ARM处理器STM32L152RB作为主控CPU13。该处理器概述见表3.1。

29、表3.1 STM32L152RB芯片概览型号程序存储器RAM（bytes）数据EEPROM(bytes)A/D输入类型容量STM32L152RBFLASH（Kbytes）12816K4K2012-bitI/O端口（大电流）LVD级别封装供电电压（V）51（51）7LQFP64/BGA641.83.6串行接口定时器功能2xSPI, 2xIC,3xUSART (IrDa，ISO 7816)， 1xUSB16-bit(IC/OC/PWM)其他816-bit（16/16/16）SysTick，两个看门狗，RTC特殊功能段式LCD控制驱动器，USB，电压调节，MPU，超低功耗振荡器，硬件RTC，6种低功

30、耗模式，2个比较器，复位系统+BORSTM32L152RB芯片的主要性能特点如下: ARM Cortex-M3 32MHz处理器 内置128K字节闪存，16K字节RAM和4K字节EEPROM 2个子系列：子系列间管脚、软件和外设兼容 与STM32F系列在引脚分布上兼容(但STM32L没有VBAT引脚) 超低能耗：低至185A/DMIPS 供电电压：带低电压检测(BOR)时为1.8V3.6V(在掉电时可降低至1.65V)，不带低电压检测(BOR)时为1.65V3.6V 6种超低功耗模式：功耗最低可达270nA 超低功耗动态模式：低功耗运行时功耗低至10.4A，低功耗睡眠且有1个定时器运行时功耗低

31、至6.1A 运行模式，代码从FLASH执行加动态电压调节(3种模式)，经济功耗低达230A/MHz 丰富的高端模拟、数字外设 工作温度范围-40C至+85C通过以上描述，显然，STM32L152RB芯片完全满足Overhauser质子磁力仪的要求，其强大的扩展性为在未来进一步提升仪器的功能提供了条件。如有需要，完全可以为此仪器设计一WIFI或ZigBee模块，使其具有无线控制功能，方便测量。ARM芯片强大的处理能力还能满足简单的数据处理要求。在具有强大功能的同时，STM32L152RB芯片还具有超低的功耗，可以满足野外长时间的测量任务。其功耗数据见表3.2。表3.2 STM32L152RB芯片

32、功耗数据运行模式STM32L152RB典型值：1.8V 25典型值：3V 25动态运行于FLASH（模式1，2，3）286，265，230uA/MHz动态运行于RAM（模式1，2，3）270,218,186uA/MHz运行于RAM低功耗模式10.4uA低功耗睡眠模式，使能一个定时器6.1uA使能了RTC的停止模式1.3uA1.6uA没有使能RTC的停止模式0.43uA0.46uA使能了RTC的待机模式1.0uA1.3uA没有使能RTC的待机模式0.27uA0.3uA可见，该芯片具有相当低的功耗。现在市面上具有较低功耗的单片机为MSP430系列，其中，MSP430F149单片机工作电流为250u

33、A/MHz。通过对比，此设计所使用的STM32L152RB芯片的功耗近似于或低于市面上的单片机功耗，因而，该仪器的控制系统功耗将会低于市面上的质子磁力仪，ARM芯片先进的电源管理系统也有助于降低系统功耗。因此，使用该芯片进行设计完全可行。系统中，基于STM32L152RB芯片设计的主控板除了要实现基本的测量和控制功能以外，还要能够实现测量数据的保存查询、日期和时间，GPS定位显示和日历时钟校准，测量模式选择，数据及其曲线显示，与PC机通讯，温度监控，电量检测等功能。3.3 信号测量3.3.1 探头配谐Overhauser磁力仪利用LC并联谐振回路进行选频测量14，谐振公式为 (3-1)式中：为

34、LC谐振回路的中心频率；L为Overhauser传感器探头的电感值；C为仪器中配谐的电容值。L和C相对准确地配谐，就能使f谐振在探头中质子旋进频率的附近。因地磁场在短时间内变化较小，仪器利用这一特性实现了仪器选频测量的自动跟踪，即利用上一次测量的频率值 (磁场值 T)，计算出下一次选频测量的配谐电容值C： (3-2)配谐较为常用的方法是通过主控MCU的I/O口控制多个继电器来切换配谐电容以实现多种配谐，另外，还可以采用低导通电阻的模拟开关来切换配谐电容。3.3.2 信号放大 信号放大器的作用是将探头数uV级信号放大到V级数供频率计测量。放大电路要求低噪声、高阻抗、低失调电流，为此使用专用仪器仪

35、表放大器进行放大。为保证信号的信噪比，获取有用信号，设计前置带通滤波器和后置带通滤波对信号进行滤波。在完成后置滤波后，将信号进行整流检波，获取正电压部分，之后即可以进入频率测量部分。3.3.3 频率测量频率测量采用等精度测频来实现，其原理如图3.2所示。考虑到功耗和成本，频率计设计采用MAX 系列CPLD EPM240器件。其中的计数器为32 bit，每次测量完成后会有两组32 bit数据输出，标准信号采用50 MHz。在KCNT信号有效(为高电平)期间，两个计数器自零开始计数；在KCNT信号撤去后，计数器将会停止计数，等待主控MCU读取。主控MCU读完计数器数据后，给出清零信号KCLR(高有

36、效)，使其内部计数器清零。图3.2 等精度测频原理框图等精度测频方法的测量精度与被测信号的频率无关。增大门控信号脉冲宽度或者提高标准信号频率，可以提高测量精度。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等精度测量法的测量精度在整个测量范围内保持恒定不变，而常规的直接测频法(在低频时用测周法，高频时用测频法)，其精度会随着被测信号的频率下降而下降。因而，使用等精度测频方法，可以最大限度保证测量精度与测量的稳定性，满足测量仪器的设计要求。3.4 其他电路设计为了满足人机交互的需要，还设计了键盘和图形LCD显示器。键盘控制由ARM完成，液晶显示器虽然STM32L152RB芯片产品

37、集成了840段式LCD控制驱动器，但是这显然无法满足仪器显示的要求，故另外设计液晶显示控制器。液晶显示器采用型号为TBM-1SLYB-3V的液晶驱动器，自带LED背光，模块内自带-15 V负压用于LCD的驱动电压，带48 K SRAM显存；GPS采用GPS15-L OEM产品，通过主控MCU串口接受时间和位置信息；另外扩展64MB的EEPROM存储器作为扩展存储，以满足数据存储需要。USB通讯接口由STM32L152RB芯片产品自带，只需要编写相应的控制驱动程序。片外存储卡扩展则由MCU串口扩展而成。3.5 软件开发设计软件部分的设计包括系统内各个部分的驱动程序编写、操作菜单编制、PC上位机程

38、序编写。驱动程序以子函数形式由主控CPU调用，主要为测量控制、外围器件接口控制等；操作菜单主要包括测量模式设定、数据查询与处理、仪器设置、关机等部分，还可以根据需要的功能另外编写；PC上位机控制程序为数据存储、数据处理、以及仪器固件更新等部分。在仪器运行过程中，由主控MCU完成仪器的输入、显示、协调控制等工作。3.6 本章小结Overhauser磁力仪传感器探头产生射频磁场所需的能量很小，只有质子磁力仪的14，并且射频磁场频率位于进动信号频率之外，从而最大程度地消除了噪声。此外，极化过程和进动信号观测可同时进行，从而提高了观测效率。仪器采用了意法半导体生产的STM32L152RB ARM芯片产

39、品作为仪器主控，使仪器整体功耗降低，稳定性增强，功能更加全面多样化。采用了新型CPLD器件，实现了等精度频率测量，保证了测量精度。另外，设计了GPS接口、数据存储系统、PC通讯接口及上位机程序，使得整机功能得到了大大加强。经过理论论证，该设计方案能够达到一个合格的Overhauser质子磁力仪的设计要求。 激发接收系统设计激发接收电路是此次设计的主题，也是Overhauser质子磁力仪的重要组成部分。该设计的好坏直接关系到仪器的精度与功能性，因而不容忽视。本章首先从整体上对激发接收系统进行设计，确定了设计框架与功能的实现过程，之后分别对激发系统和接收系统进行了较为详细的设计与介绍。在设计的过程

40、中，确定了芯片的选型与电路元件型号的选择，对部分芯片进行了着重介绍。针对部分模块进行了电路设计，并完成了电路仿真以验证其功能优良可靠。4.1 激发接收系统整体设计4.1.1 总体设计激发接收系统的总体框图设计如图4.1所示，主要包括了主控系统、模拟板和可控高频功率信号源三个部分，其中由主控系统控制模拟板实现信号的采集放大和对探头的监测功能，可控高频功率信号源由主控系统控制来对探头进行激发15。图4.1 激发接收系统设计框图4.1.2 系统工作过程该系统工作过程可以分为如下三个阶段：第一阶段，主控系统控制可控射频功率信号源产生高频信号对探头进行激发；第二阶段，主控系统控制可控射频功率信号源停止射

41、频信号输出，同时控制位于模拟板上的控制电路产生直流脉冲信号；第三阶段，直流脉冲结束，探头输出拉莫尔频率信号，延时30-50ms，利用模拟板上检波放大系统对信号进行处理，由主控系统中的A/D采集处理后信号，将其存入数据存储器并在LCD显示频上实时显示数据并画出相应的图形。其工作过程的时序图如图4.2所示。图4.2 激发接收系统工作时序图4.1.3 主控系统设计简述主控系统主要由意法半导体公司的超低功耗ARM芯片STM32L152RB组成，芯片内部12位A/D用于采集检波后的电压值；除此之外，主控板上还包含额外扩展的串行EEPROM存储器，键盘、显示接口、USB接口和存储卡接口，分别用作数据存储、

42、人机交互、实时曲线显示、PC通信和额外存储扩展。主控系统是整个系统的核心，主要有4个作用：一是控制可控高频功率信号源在5565 MHz范围内产生不同的频率信号，并控制其时间长短；二是利用模拟板上的控制电路产生直流脉冲；三是采集峰值检波后的信号并存储显示；四是当数据采集完之后，将数据通过USB接口传入PC或其他存储设备。4.1.4 激发电路的设计概要上文中提到，激发接收系统的工作过程有三个阶段，其中的前两个阶段是探头激发的过程。具体来讲，就是先由主控系统控制可控射频功率信号源产生高频信号激发探头，再停止射频信号输出，由模拟板上的控制电路产生直流信号。因而，激发电路的设计应该分为两个部分，一是可控

43、射频功率信号源的设计，二是直流信号发生电路的设计。由于直流信号发生电路较为简单，可以由编程得到，因而不做更多阐述。4.1.5 接收电路的设计概要对于接收电路，在第三章中已经有所介绍。由于质子旋进信号十分微弱，因而我们要使用一个具有较大增益的放大电路进行信号放大，将uV级别的信号放大为V级别，同时要尽量压制其信号噪声。因此，在设计中我采用了多级放大和前置、后置两级滤波，以在满足信号具有优良的信噪比的同时能够有较好的信号强度。4.2 可控射频功率信号源4.2.1 设计概述可控高频功率信号源系统框图如图4.3所示。根据系统需求，该可控信号源设计实现如下功能：其在55-65MHz频率范围内输出频率可以

44、以1Hz精度步进微调，并且输出功率和时间长短可控。使用MSP430F149单片机通过串行接口接收来自ARM主控系统的数据或命令，进行如下功能的控制： 控制DDS（Direct Digital Frequency Synthesis，数字频率合成器）开始或停止输出频率信号，输出频率信号的大小和幅度，同时利用片内自带A/D采样功放输出频率的电压峰值，该电压值由高频峰值检波器将功放的输出信号检波后，经衰减器衰减而得。 单片机将测到的电压值与上位机传递过来的正确输出电压值进行比较，然后对DDS的输出电压做调整，最终使功放输出电压峰值等于需要输出电压峰值。射频功放计划由小信号高频管和射频NMOS功放管组

45、成，其在55-65MHz范围内应具有尽量高的功率增益，设计值为30dBm以上。其DDS芯片采用AD9852，其最高输出频率可达120MHz，同时输出频率分辨力为1Hz，且该芯片的输出信号幅度可控，进而使得射频功放的输入可控，最终达到控制功放输出功率的目的。根据DDS产生信号的机理可以知道输出信号可能会含有较多的高次谐波信号，因此另外设计了一个截至频率为70MHz的三阶椭圆低通滤波器进行信号滤波。图4.3 可控射频功率信号源设计框图4.2.2 MSP430F149单片机简述用单片机对DDS进行控制，再加上其他的外围器件所构成的监控系统，是采用比较多的监控方案。目前可供选择的单片机的种类很多，功能

46、也各有千秋，从性价比上来讲MSP430F149是一款不错的单片机16。MSP430F149是德州仪器公司生产的一种具有16位总线的FLASH型单片机，它具有功耗低、性能强、稳定性好等优点，其性价比也很高，因而在单片机控制系统设计中被大量采用。它采用16位的总线，能够将外设和内存统一编址，寻址范围达64K，另外还可以根据需要外扩展存储器。除此之外，它还具有丰富的片上外围模块：其片内自带精密硬件乘法器、两路USART通信端口、6路P口、有两个16位定时器、一个12位的模数转换器、一个看门狗、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，能够支持8MHz的时钟。同时MSP430F149单片机还可以

47、在超低功耗模式下工作，可靠性高。它采用16位流水线结构设计，具有丰富的寻址方式；它拥有简洁的27条内核指令，以及大量的模拟指令，这些都使其具备了较强的运算和数据处理能力。MSP430F149单片机还具有较高的处理速度，它在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns，因而它在控制方面具有明显的实时性。另外，利用计算机可以在线对单片机进行调试和程序下载，而且使用自带的JTAG口能直接和FET(Flash Emulation Tool)相连，也即无需另外的仿真工具，方便实用。4.2.3 DDS产生模拟信号的传统方法是采用RC或LC振荡器。但这种做法所产生的信号的频率精度和稳定度都很差；后来使用了锁相环技

48、术，尽管可以使信号的频率精度大大提高，但这种方法工艺复杂、分辨率不高、频率变换和实现计算机程控不方便。1971年，美国学者JTiemey等人首次提出了采用全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种全新的合成理论，开创了数字合成模拟信号的先河。近年来，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者，是一种全数字的频率合成技术。DDS完全没有振荡元件和锁相环，而是用一连串数据流经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号，将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域，实现了合成信号的频率转换速度与频率准

49、确度之间的统一。近年来各种专用和通用的DDS芯片也不断上市，有的甚至做成了小型系统17-18。采用直接数字合成技术设计的信号发生器与传统信号源相比具有以下独特的优点： 频率稳定度高：频率稳定度仅仅取决于使用的参考频率源晶体振荡器的稳定度，而DDS本身不引入频率的偏差。 无过渡过程：采用数字方法，频率转换时过渡的时间极短，为纳秒数量级，其信号相位和幅度是真正连续无畸变，特别适合于动态特性的设计。 无量程限制：在全部频率范围内频率设定一次到位，最适合于宽频带系统的设计。 频率精度高：目前常见的DDS芯片的频率分辨率可达到参考频率的1232，具有非常高的精度。对那些需要使用特别低频率的应用场合(如0

50、.0001Hz)，用传统的方法难以实现；而采用DDS技术，可以相对容易的实现，且其精度、稳定性高，体积小。 易于控制：目前新上市的DDS芯片大多都带有微控制器，大大方便了设计者进行设计，无需过多的外围器件就可以制成信号发生器，从很大程度上降低了成本。此次设计中，根据设计要求，选择AD9852作为DDS芯片。AD9852是近年推出的高速芯片，它具有小型的80管脚表贴封装形式，其时钟频率为300MHz，并带有两个12位的高速正交D/A转换器、两个48位可编程的频率寄存器、具有12位幅度调制器和可编程的波形开关键功能，此外还具有两个14位可编程的相位移位寄存器，自带单路FSK和BPSK数据接口，易于

51、产生单路线性或非线性调频信号。当采用标准时钟源时，AD9852可产生高稳定性的，频率、幅度、相位可编程的正、余弦输出信号，可用于制作变频本地振荡器以及各种波形发生器。AD9852提供了高达48位的频率分辨率，其相位量化达到14位，能够保证极高频率分辨率和相位分辩率，具有极好的动态性能。其频率转换速度可以达到每秒100106个频率点。在时钟方面，AD9852芯片内部时钟输入端含有420倍可编程的参考时钟锁相倍频电路，在芯片外部只需输入一低频参考时钟（如60MHz），通过调用AD9852芯片内部的倍频就可以获得300MHz内部时钟。另外，300MHz的外部时钟也可以使用单端输入或差分输入的方式直接

52、作为时钟源。由于AD9852采用3.3V供电，其器件功耗也相对较低。在此次设计中选用AD9852芯片作为DDS芯片的原因主要是在于，AD9852芯片具有120MHz的最高输出频率，满足探头激发的55-65MHz频率要求，同时输出频率分辨率为1Hz，且该芯片输出信号幅度可控，使得射频功放的输入可控，从而能够达到控制功放输出功率的目的。4.2.4 椭圆低通滤波器 椭圆滤波器又称为考尔滤波器（Cauer filter），是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。椭圆滤波器与其他类型的滤波器相比，其在阶数相同的条件下具有最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤

53、波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是通带等波纹、阻带平坦的切比雪夫滤波器。与其他类型的滤波器相比，椭圆滤波器具有最为陡峭的过渡带。椭圆滤波器的特性是我选择它作为低通滤波器的原因。本次设计中使用滤波器设计软件Filter Solution辅助完成设计。设计参数如图4.4所示。其具有70MHz的阻带频率，0.1dB的通带衰减值，和100的输入阻抗。根据软件的参数设置，自动生成电路设计图如图4.5所示。在图中所给出的电压正极输入信号，由电压负极输出信号，即可完成信号的低通滤波。图4.4 软件参数设置图4.5 三阶椭圆低通滤波器电路设计根据软件分析，该电路在10MHz至100MHz的频率范围内具有如图4

54、.6所示的响应曲线。根据曲线分析，该电路可以很好的滤除干扰波。图4.6 低通滤波器频率响应曲线4.2.5 射频功放电路根据电路设计需求，本设计中的射频功放电路使用小信号高频管和射频NMOS功放管组成，设计功率增益在频率范围55-65MHz范围内计划在30dBm以上。通过查找选型资料，决定选用MRF136型N沟道增强型射频功放管。在实际应用中，MRF136作为射频信号发生电路的负载，其测量范围的输出信号电压约为3.0-3.5V，输出功率约为20dBm，而MRF136的功率增益可达16dBm，因而最后MRF136输出的信号约为35-36dBm，满足设计需求19-20。如图4.7所示为使用ADS仿真

55、软件进行模拟所得到的MRF136功放管的静态特性。图中显示出了在将VDS设定为24V时IDS和VGS的关系。为了获得良好的线性关系，将静态栅极电压设定为5V，同时能够从图中显示出来的IDS约为500mA。图4.7 MRF136功放管静态特性图如图4.8所示为考虑了MRF136在工作频率不稳定等因素后设计出的一个RF功放电路，其中加入了一个RLC反馈回路电路以稳定MRF136功放管。另外还添加了一个输入匹配网络电路，以对输入和输出阻抗进行匹配。图4.8 RF功放电路图4.9所示为使用ADS软件进行模拟的结果，显示出了系统的匹配结果和匹配后的S参数模拟。根据仿真，系统此时拥有较好的匹配效果。图4.

56、10所示为所设计的射频功率放大器在时间域的放大效果模拟图。图4.9 系统匹配结果及S参数匹配仿真图4.10 RF功放在时间域的放大模拟4.2.6 射频功率控制电路设计中，射频功率控制由高频峰值检波和衰减器进行控制。首先由高频峰值检波检测输出的峰值电压，之后经过衰减器衰减返回到模拟版主控MSP430F149单片机，单片机对上位主控传输来的应输出电压进行比较后调整DDS的输出电压，进而对射频功率加以控制。在衰减器的设计中，单纯使用单一PIN二极管会有比较大的局限性，虽然这样设计比较简便，但是二极管的阻抗会随着偏置电压的变化而改变。因而，为解决此问题，本设计中使用多个PIN二极管组成两条支路，以达到不变的阻抗特性。如图4.11是一个设计范例，该示例中包含了一组滤波器和改良后的二极管衰减器。在该示例中，通过选择合适的二极管偏执电流，能够使上下两条支路的阻抗从始端看进去时始终保持在50欧姆左右，从而大大降低了阻抗失调的影响。图4.11 改良后的二极管衰减器4.2.7 抗干扰设计概要 Overhauser质子磁力仪要求具