核磁共振超前探測儀低矩形系數(shù)濾波器設計

1、開題報告開題報告核磁共振核磁共振超前超前探測儀探測儀低矩形系數(shù)濾波器低矩形系數(shù)濾波器設計設計 指導教師：指導教師： 報報 告告 人：人： 學學 號：號： 專專 業(yè)：業(yè)： 電力電子與電力傳動電力電子與電力傳動WWW.JLU.EDU.CN核磁共振核磁共振超前超前探測儀探測儀低矩形系數(shù)濾波器低矩形系數(shù)濾波器設計設計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)容及準備工作及準備工作2擬利用資源擬利用資源3時間安排時間安排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 突水災害突水災害是是隧道工程施工中的主要地質災害隧道工

2、程施工中的主要地質災害 隧道前方含水地質構造的超前探測隧道前方含水地質構造的超前探測 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（高效率、高分辨率、無需打鉆、體積效應小、探測距離大）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 進入隧道必須縮減天線尺寸，目前進入隧道必須縮減天線尺寸，目前核磁共振核磁共振探測線圈的直徑為探測線圈的直徑為26米米,信號微弱信號微弱 隧道環(huán)境復雜，存在各種干擾，尤其是工頻隧道環(huán)境復雜，存在各種干擾，尤其是工頻干擾和其諧波的干擾十分嚴重干擾和其諧波的干擾十分嚴重要提高核磁共振隧道探測信噪比，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參量。理想的頻帶濾波器應該對通頻帶內(nèi)的頻譜分量有同樣的放大能力，而對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是矩形。但實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來表示。Kv0.1=2f0.1/（2f0.7）主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容及準備工作及準備

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)容及準備工作及準備工作 參差參差濾波濾波 具有頻帶寬、矩形系數(shù)小的優(yōu)點, 其特點是選擇品質因數(shù)Q值較高的回路分別調諧在上、下截止頻率附近,以增大幅頻特性曲線邊界的斜率;而Q值較低的回路調諧在中心頻率處(奇數(shù)參差)或中心頻率兩側(偶數(shù)參差),以確定電路的帶寬。總幅頻特性可以達到最大平坦,電路的選擇性得到改善。在低頻RC帶通濾波器設計中應用參差調諧放大器的理論與設計方法,同樣可以設計出頻帶寬、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)容及準備工作及準備工作 參差參差濾波濾波 探測儀的濾波要

5、求是中心頻率為極低頻段，且12.6KHz可調，帶寬按照需要在80100Hz可調，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)的參差調諧放大，但是卻由于應用場合也導致了探測儀濾波器的要求反而成為應用這種濾波方法的難點。預期成果預期成果：中心頻率12.6KHz可調，帶寬80100Hz可調，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，確定與原濾波器系統(tǒng)的性能比較，明確提升目標，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 工作過程：上位機輸入的相關信息，主要有中心頻工作過程：上位機輸入的相關信息，主要有中心頻率、帶寬、配諧電容和末級增益，上位機通過計算率、帶寬、配諧電容和末級增益，上位機通過計算得到濾波器組參數(shù)，向下位機發(fā)送，下位機接到參得到濾波器組參數(shù)，向下位機發(fā)送，下位機接到參數(shù)后設置窄帶濾波器組，末級增益，和配諧電容。數(shù)后設置窄帶濾波器組，末級增益，和配諧電容。因此，有三部分：因此，有三部分： 上位機：上位機：VB（與原系統(tǒng)兼容）（與原系統(tǒng)兼容） 通通 訊：訊：232-485 下位機：控制部分，前級放大，寬帶濾波，窄帶濾波，末下位機：控

7、制部分，前級放大，寬帶濾波，窄帶濾波，末 級增益級增益WWW.JLU.EDU.CN主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容 室內(nèi)試驗：室內(nèi)試驗： 調試濾波系統(tǒng)，使之盡可能接近模擬仿真的效果調試濾波系統(tǒng)，使之盡可能接近模擬仿真的效果 檢測濾波系統(tǒng)一致性檢測濾波系統(tǒng)一致性 檢測濾波系統(tǒng)，并與原濾波系統(tǒng)對比，檢測提升效果檢測濾波系統(tǒng)，并與原濾波系統(tǒng)對比，檢測提升效果 檢測與探測系統(tǒng)的兼容性檢測與探測系統(tǒng)的兼容性 現(xiàn)場試驗：現(xiàn)場試驗： 檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 檢測濾波系統(tǒng)實際工作效果，并與原探測系統(tǒng)工作效果進檢測濾波系統(tǒng)實際工作效果，并與原探測系統(tǒng)工作效果進行對比行對比WWW.JLU.EDU

8、.CN前期準備工作前期準備工作 查閱文獻資料學習核磁共振查閱文獻資料學習核磁共振隧道隧道探測儀探測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，實現(xiàn)方案，實現(xiàn)方案； 查找查找濾波濾波系統(tǒng)系統(tǒng)方案方案關鍵芯片的技術資料，復關鍵芯片的技術資料，復習相關課程等；習相關課程等； 系統(tǒng)設計相關軟件的準備系統(tǒng)設計相關軟件的準備。WWW.JLU.EDU.CN前期準備工作前期準備工作各單級帶通濾波器指標中心頻率（KHz）增益（dB）帶寬（Hz）第一級2.679233.161958.6第二級2.679233.161958.6第三級2.656820.6079246.5第四級2.656820.6

9、079246.5第五級2.634816.5404390.6第六級2.634816.5404390.6第七級2.612720.5817243.2第八級2.612720.5817243.2第九級2.592032.935358.2第十級2.592032.935358.2WWW.JLU.EDU.CN前期準備工作前期準備工作單級二階濾波器，四級二階濾波器，十級二階參差濾波器矩形系數(shù)對比圖單級二階濾波器，四級二階濾波器，十級二階參差濾波器矩形系數(shù)對比圖 單級二階單級二階矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7=9.987四級二階四級二階矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7= 3.739十級

10、二階參差十級二階參差矩形系數(shù)：K0.1= BW0.1/ BW0.7= 1.713WWW.JLU.EDU.CN前期準備工作前期準備工作輸入信號幅值為20mV，中心頻率為2635HZ，從圖中可清楚看到，由于器件響應存在時延，時延（圖中小箭頭）有8ms；經(jīng)過濾波后，信號波形產(chǎn)生失真，濾波器在啟動狀態(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?shù)竭_圖中藍色標桿處時（圖中大箭頭），就與原信號波形一致了，時間為不到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信號很小，因此頻譜圖中幅值有所不同。儀器中切換以及消抖時間為35ms，經(jīng)過這段時間后才會開始采集，因

11、此參差濾波器會有充裕的時間來響應信號。WWW.JLU.EDU.CN前期準備工作前期準備工作 硬件設計思路 以STC89C系列單片機為控制核心MCU，控制濾波系統(tǒng)以及與上位機通訊。 寬帶濾波為雙二次四階搭建實現(xiàn) 窄帶采用開關電容濾波器 利用 DDS或CPLD作為窄帶濾波器時鐘頻率 末級增益采用程控放大WWW.JLU.EDU.CN前期準備工作前期準備工作 軟件設計思路上位機下位機輸入?yún)?shù) 保存，計算并顯示 下載，傳輸給下位機 上位機刷新顯示 下位機設置后返回參數(shù)開始初始化接收上位機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉換 設置末級增益 設置窄帶濾波器 設置窄帶濾波器時鐘源 返回并上傳數(shù)據(jù)WWW.JLU.EDU.CN實驗測試方

12、法實驗測試方法 室內(nèi)測試：包括三部分測試，分別為室內(nèi)測試：包括三部分測試，分別為一致性一致性測試、測試、對比對比測試（測試（性能改善情況性能改善情況）、兼容性、兼容性測試。測試。 現(xiàn)場現(xiàn)場試驗：試驗：室內(nèi)室內(nèi)測試通過后，與測試通過后，與 隧道探測隧道探測系統(tǒng)系統(tǒng)結合，進行了現(xiàn)場試驗，結合，進行了現(xiàn)場試驗，從整體上檢測從整體上檢測更新的硬件濾波系統(tǒng)對探測儀信噪比提升的更新的硬件濾波系統(tǒng)對探測儀信噪比提升的實際效果實際效果。WWW.JLU.EDU.CN擬利用資源擬利用資源 核心器件核心器件:增強型增強型STC系列系列、CPLD、DDS、SCF等等 實習場地：地質宮實習場地：地質宮114實驗室實驗室

13、 實習條件：計算機，實習條件：計算機，網(wǎng)絡分析儀，信源，示網(wǎng)絡分析儀，信源，示波表和示波器，波表和示波器，相應的元器件與開發(fā)軟件相應的元器件與開發(fā)軟件等等。 實習時間：實習時間：2014年年5月到月到2015年年5月月WWW.JLU.EDU.CN時間安排時間安排 模擬仿真模擬仿真 明確目標明確目標 2014.5-2014.7 具體方案設計和確定具體方案設計和確定 2014.7-2014.9 方案實現(xiàn)，調試方案實現(xiàn)，調試 2014.9-2015.1 實驗測試實驗測試2015.1-2015.3 完善，提出新問題和建議完善，提出新問題和建議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用.林君 段清明 王應吉. 科學出版社. 20112、SIGNALS & S