核磁共振超前探測(cè)儀低矩形系數(shù)濾波器設(shè)計(jì)

1、開(kāi)題報(bào)告開(kāi)題報(bào)告核磁共振核磁共振超前超前探測(cè)儀探測(cè)儀低矩形系數(shù)濾波器低矩形系數(shù)濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 報(bào)報(bào) 告告 人：人： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 專專 業(yè)：業(yè)： 電力電子與電力傳動(dòng)電力電子與電力傳動(dòng)WWW.JLU.EDU.CN核磁共振核磁共振超前超前探測(cè)儀探測(cè)儀低矩形系數(shù)濾波器低矩形系數(shù)濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研究目的意義研究目的意義及發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀1主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容及準(zhǔn)備工作及準(zhǔn)備工作2擬利用資源擬利用資源3時(shí)間安排時(shí)間安排4主要參考資料主要參考資料5WWW.JLU.EDU.CN研究目的和意義研究目的和意義及發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀 突水災(zāi)害突水災(zāi)害是是隧道工程施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害隧道工

2、程施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害 隧道前方含水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測(cè)隧道前方含水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測(cè) 接觸式的鉆探方法（成本高、效率低、可能誘發(fā)水害） 核磁共振技術(shù)（高效率、高分辨率、無(wú)需打鉆、體積效應(yīng)小、探測(cè)距離大）WWW.JLU.EDU.CN研究目的和意義研究目的和意義及發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀 進(jìn)入隧道必須縮減天線尺寸，目前進(jìn)入隧道必須縮減天線尺寸，目前核磁共振核磁共振探測(cè)線圈的直徑為探測(cè)線圈的直徑為26米米,信號(hào)微弱信號(hào)微弱 隧道環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾，尤其是工頻隧道環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾，尤其是工頻干擾和其諧波的干擾十分嚴(yán)重干擾和其諧波的干擾十分嚴(yán)重要提高核磁共振隧道探測(cè)信噪比，需要濾波器有更好地矩形系要

3、提高核磁共振隧道探測(cè)信噪比，需要濾波器有更好地矩形系數(shù)，提高電路的選擇性數(shù)，提高電路的選擇性。WWW.JLU.EDU.CN研究目的和意義研究目的和意義及發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀矩形系數(shù)矩形系數(shù)描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度，它的值是20dB帶寬與3dB帶寬的比值。矩形系數(shù)是表征濾波器選擇性好壞的一個(gè)參量。理想的頻帶濾波器應(yīng)該對(duì)通頻帶內(nèi)的頻譜分量有同樣的放大能力，而對(duì)通頻帶以外的頻譜分量要完全抑制。所以理想的頻帶放大器的頻響曲線應(yīng)是矩形。但實(shí)際的頻響曲線與矩形有較大的差異。通常矩形系數(shù)是用Kv0.1來(lái)表示。Kv0.1=2f0.1/（2f0.7）主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容及準(zhǔn)備工作及準(zhǔn)備

4、工作 參差參差濾波濾波放大放大WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容及準(zhǔn)備工作及準(zhǔn)備工作 參差參差濾波濾波 具有頻帶寬、矩形系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn), 其特點(diǎn)是選擇品質(zhì)因數(shù)Q值較高的回路分別調(diào)諧在上、下截止頻率附近,以增大幅頻特性曲線邊界的斜率;而Q值較低的回路調(diào)諧在中心頻率處(奇數(shù)參差)或中心頻率兩側(cè)(偶數(shù)參差),以確定電路的帶寬?？偡l特性可以達(dá)到最大平坦,電路的選擇性得到改善。在低頻RC帶通濾波器設(shè)計(jì)中應(yīng)用參差調(diào)諧放大器的理論與設(shè)計(jì)方法,同樣可以設(shè)計(jì)出頻帶寬、矩形系數(shù)小帶通濾波器。WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容及準(zhǔn)備工作及準(zhǔn)備工作 參差參差濾波濾波 探測(cè)儀的濾波要

5、求是中心頻率為極低頻段，且12.6KHz可調(diào)，帶寬按照需要在80100Hz可調(diào)，并且要將矩形系數(shù)降低到2.0以下，因此，雖然參差濾波方式的想法借鑒于通訊工程的低矩形系數(shù)的參差調(diào)諧放大，但是卻由于應(yīng)用場(chǎng)合也導(dǎo)致了探測(cè)儀濾波器的要求反而成為應(yīng)用這種濾波方法的難點(diǎn)。預(yù)期成果預(yù)期成果：中心頻率12.6KHz可調(diào)，帶寬80100Hz可調(diào)，矩形系數(shù)降低至2.0以下（原3.4以上）WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容 模擬仿真參差濾波器在極低頻段的工作效果，以及模擬仿真參差濾波器在極低頻段的工作效果，以及與原濾波器系統(tǒng)的性能比較，明確提升目標(biāo)，確定與原濾波器系統(tǒng)的性能比較，明確提升目標(biāo)，確定

6、改善方案改善方案WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容 工作過(guò)程：上位機(jī)輸入的相關(guān)信息，主要有中心頻工作過(guò)程：上位機(jī)輸入的相關(guān)信息，主要有中心頻率、帶寬、配諧電容和末級(jí)增益，上位機(jī)通過(guò)計(jì)算率、帶寬、配諧電容和末級(jí)增益，上位機(jī)通過(guò)計(jì)算得到濾波器組參數(shù)，向下位機(jī)發(fā)送，下位機(jī)接到參得到濾波器組參數(shù)，向下位機(jī)發(fā)送，下位機(jī)接到參數(shù)后設(shè)置窄帶濾波器組，末級(jí)增益，和配諧電容。數(shù)后設(shè)置窄帶濾波器組，末級(jí)增益，和配諧電容。因此，有三部分：因此，有三部分： 上位機(jī)：上位機(jī)：VB（與原系統(tǒng)兼容）（與原系統(tǒng)兼容） 通通 訊：訊：232-485 下位機(jī)：控制部分，前級(jí)放大，寬帶濾波，窄帶濾波，末下位機(jī)：控

7、制部分，前級(jí)放大，寬帶濾波，窄帶濾波，末 級(jí)增益級(jí)增益WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容 室內(nèi)試驗(yàn)：室內(nèi)試驗(yàn)： 調(diào)試濾波系統(tǒng)，使之盡可能接近模擬仿真的效果調(diào)試濾波系統(tǒng)，使之盡可能接近模擬仿真的效果 檢測(cè)濾波系統(tǒng)一致性檢測(cè)濾波系統(tǒng)一致性 檢測(cè)濾波系統(tǒng)，并與原濾波系統(tǒng)對(duì)比，檢測(cè)提升效果檢測(cè)濾波系統(tǒng)，并與原濾波系統(tǒng)對(duì)比，檢測(cè)提升效果 檢測(cè)與探測(cè)系統(tǒng)的兼容性檢測(cè)與探測(cè)系統(tǒng)的兼容性 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)： 檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 檢測(cè)濾波系統(tǒng)實(shí)際工作效果，并與原探測(cè)系統(tǒng)工作效果進(jìn)檢測(cè)濾波系統(tǒng)實(shí)際工作效果，并與原探測(cè)系統(tǒng)工作效果進(jìn)行對(duì)比行對(duì)比WWW.JLU.EDU

8、.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作 查閱文獻(xiàn)資料學(xué)習(xí)核磁共振查閱文獻(xiàn)資料學(xué)習(xí)核磁共振隧道隧道探測(cè)儀探測(cè)儀明確明確濾波系統(tǒng)濾波系統(tǒng)的工作原理的工作原理，基本要求基本要求，實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)方案； 查找查找濾波濾波系統(tǒng)系統(tǒng)方案方案關(guān)鍵芯片的技術(shù)資料，復(fù)關(guān)鍵芯片的技術(shù)資料，復(fù)習(xí)相關(guān)課程等；習(xí)相關(guān)課程等； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)軟件的準(zhǔn)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)軟件的準(zhǔn)備。WWW.JLU.EDU.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作各單級(jí)帶通濾波器指標(biāo)中心頻率（KHz）增益（dB）帶寬（Hz）第一級(jí)2.679233.161958.6第二級(jí)2.679233.161958.6第三級(jí)2.656820.6079246.5第四級(jí)2.656820.6

9、079246.5第五級(jí)2.634816.5404390.6第六級(jí)2.634816.5404390.6第七級(jí)2.612720.5817243.2第八級(jí)2.612720.5817243.2第九級(jí)2.592032.935358.2第十級(jí)2.592032.935358.2WWW.JLU.EDU.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作單級(jí)二階濾波器，四級(jí)二階濾波器，十級(jí)二階參差濾波器矩形系數(shù)對(duì)比圖單級(jí)二階濾波器，四級(jí)二階濾波器，十級(jí)二階參差濾波器矩形系數(shù)對(duì)比圖 單級(jí)二階單級(jí)二階矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7=9.987四級(jí)二階四級(jí)二階矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7= 3.739十級(jí)

10、二階參差十級(jí)二階參差矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7= 1.713WWW.JLU.EDU.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作輸入信號(hào)幅值為20mV，中心頻率為2635HZ，從圖中可清楚看到，由于器件響應(yīng)存在時(shí)延，時(shí)延（圖中小箭頭）有8ms；經(jīng)過(guò)濾波后，信號(hào)波形產(chǎn)生失真，濾波器在啟動(dòng)狀態(tài)，濾波后的波形在上升至峰值后仍與原始波形有一定差距，當(dāng)?shù)竭_(dá)圖中藍(lán)色標(biāo)桿處時(shí)（圖中大箭頭），就與原信號(hào)波形一致了，時(shí)間為不到30ms。頻譜圖可看出濾波前后中心頻率不變，由于參差濾波器的放大倍數(shù)較大，而原MRS信號(hào)很小，因此頻譜圖中幅值有所不同。儀器中切換以及消抖時(shí)間為35ms，經(jīng)過(guò)這段時(shí)間后才會(huì)開(kāi)始采集，因

11、此參差濾波器會(huì)有充裕的時(shí)間來(lái)響應(yīng)信號(hào)。WWW.JLU.EDU.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作 硬件設(shè)計(jì)思路 以STC89C系列單片機(jī)為控制核心MCU，控制濾波系統(tǒng)以及與上位機(jī)通訊。 寬帶濾波為雙二次四階搭建實(shí)現(xiàn) 窄帶采用開(kāi)關(guān)電容濾波器 利用 DDS或CPLD作為窄帶濾波器時(shí)鐘頻率 末級(jí)增益采用程控放大WWW.JLU.EDU.CN前期準(zhǔn)備工作前期準(zhǔn)備工作 軟件設(shè)計(jì)思路上位機(jī)下位機(jī)輸入?yún)?shù) 保存，計(jì)算并顯示 下載，傳輸給下位機(jī) 上位機(jī)刷新顯示 下位機(jī)設(shè)置后返回參數(shù)開(kāi)始初始化接收上位機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 設(shè)置末級(jí)增益 設(shè)置窄帶濾波器 設(shè)置窄帶濾波器時(shí)鐘源 返回并上傳數(shù)據(jù)WWW.JLU.EDU.CN實(shí)驗(yàn)測(cè)試方

12、法實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法 室內(nèi)測(cè)試：包括三部分測(cè)試，分別為室內(nèi)測(cè)試：包括三部分測(cè)試，分別為一致性一致性測(cè)試、測(cè)試、對(duì)比對(duì)比測(cè)試（測(cè)試（性能改善情況性能改善情況）、兼容性、兼容性測(cè)試。測(cè)試。 現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：試驗(yàn)：室內(nèi)室內(nèi)測(cè)試通過(guò)后，與測(cè)試通過(guò)后，與 隧道探測(cè)隧道探測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從整體上檢測(cè)從整體上檢測(cè)更新的硬件濾波系統(tǒng)對(duì)探測(cè)儀信噪比提升的更新的硬件濾波系統(tǒng)對(duì)探測(cè)儀信噪比提升的實(shí)際效果實(shí)際效果。WWW.JLU.EDU.CN擬利用資源擬利用資源 核心器件核心器件:增強(qiáng)型增強(qiáng)型STC系列系列、CPLD、DDS、SCF等等 實(shí)習(xí)場(chǎng)地：地質(zhì)宮實(shí)習(xí)場(chǎng)地：地質(zhì)宮114實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室

13、 實(shí)習(xí)條件：計(jì)算機(jī)，實(shí)習(xí)條件：計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)分析儀，信源，示網(wǎng)絡(luò)分析儀，信源，示波表和示波器，波表和示波器，相應(yīng)的元器件與開(kāi)發(fā)軟件相應(yīng)的元器件與開(kāi)發(fā)軟件等等。 實(shí)習(xí)時(shí)間：實(shí)習(xí)時(shí)間：2014年年5月到月到2015年年5月月WWW.JLU.EDU.CN時(shí)間安排時(shí)間安排 模擬仿真模擬仿真 明確目標(biāo)明確目標(biāo) 2014.5-2014.7 具體方案設(shè)計(jì)和確定具體方案設(shè)計(jì)和確定 2014.7-2014.9 方案實(shí)現(xiàn)，調(diào)試方案實(shí)現(xiàn)，調(diào)試 2014.9-2015.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試2015.1-2015.3 完善，提出新問(wèn)題和建議完善，提出新問(wèn)題和建議2015.3- 2015.4 撰寫論文和畢業(yè)答辯撰寫論文和畢業(yè)答辯2015.5WWW.JLU.EDU.CN主要參考資料主要參考資料1、核磁共振找水儀原理與應(yīng)用.林君 段清明 王應(yīng)吉. 科學(xué)出版社. 20112、SIGNALS & S