地面核磁共振找水儀放大器設計(二)

在EWB上構建一個雙二次型帶通濾波器，中心頻率1kHz，通帶增益10，通頻帶寬度為Bw.當調節Bw為100 Hz時，圖6信號通過該濾波器的輸出波形如圖9(a)所示。而當Bw為10 Hz時，圖6信號通過該濾波器的輸出如圖9(b)所示。可見，兩種帶寬輸出都產生了失真，濾波器帶寬越窄失真越大。為了提高信噪比， Bw不能太寬，而兼顧失真度，它又不能太窄，所以設計NMR放大器Bw為100Hz.失真主要是起始部分，可以在數據處理時按照后面的衰減規律往前延拓恢復原信號。可以把Bw設計為可程控參數，當干擾較小時，帶寬可以大一些。從頻譜分析可知， T*2越小， NMR信號頻帶越寬。而地面核磁共振找水儀主要尋找自由水，有開采價值的測點T*2一般在100ms以上。所以Bw為100Hz的放大器處理100ms以上的NMR信號效果會更好。

3.2放大器增益設計

要探測深度150m及以下的水，信號為nV數量級。而滿足A /D采集的可靠信號應在10mV以上，所以放大器增益應達到140dB.而在探測淺層水時，信號可能較大，放大器增益不能太大。所以把增益設計為可程控，進一步可以設計為自動增益測量。以放大器各級輸出不飽和為原則，增益盡可能地大。為了提高信噪比，前置放大器以低噪聲和滿足濾波器輸入要求為主要考慮因素，放大倍數不必太大。各級間需仔細設計阻抗匹配，而且前置級還需設計噪聲匹配。

3. 3屏蔽與接地

檢測nV級信號的濾波器只能濾除從信號線引入的干擾，而從空間輻射的電磁波干擾必須由嚴密的屏蔽措施和適當的接地措施解決。本放大器用一定厚度的合金加工形成多層密閉的放大器屏蔽盒，盒體接大地。在長春市腰高家窩堡已經測到小于50nV的NMR模擬信號。

4 NMR放大器總體設計

圖10為NMR放大器總體框圖。在全世界范圍內，地磁場強度在30000nT(在赤道附近)到60000nT (在南極、北極)范圍。拉莫爾頻率f0(Hz)= 0.0426B0(nT).

所以f0 = 1. 278~ 2. 556 kH z，在此范圍以外就是干擾信號。本放大器中設計了一個低頻截止頻率fL=1kHz，高頻截止頻率fH=3kHz的寬帶濾波器。這個濾波器過渡帶的陡度應盡可能地大。它最明顯的應用效果是抑制工頻50Hz及其二次諧波的干擾，以及各種通信及廣播干擾。

NMR放大器需要測量nV級微弱信號，而接收天線卻是400~ 600 m長的電纜圍成的環狀天線，所以放大器的Bw越窄越好。但由上述可知,Bw太窄又會引起信號失真，需要設計Bw為可程控參數，所以選擇了f0、Bw和通帶增益都可以程控的開關電容濾波器MAX260作為程控窄帶濾波器。應用開關電容濾波器的缺點是其時鐘可能給弱信號放大器引入干擾。這里采用前置級二次屏蔽、隔離、濾波等措施解決。程控增益放大器是為了適應信號強度大范圍變化而設計的。前置放大器的增益也可以程控，以提高信噪比。

5測試結果

5. 1寬帶濾波器頻率特性測試

測試設備： MS4360B網絡分析儀。

測試結果：圖11中的0、1、2、3、4分別為5個測試點， A0、A1、A2、A3、A4為與圖片對應的測試值。

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