基于正交矢量放大的MRS信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)----核磁共振信號(hào)采集模塊的原理及分析

第三章采集模塊方案設(shè)計(jì)

3.1核磁共振找水儀的整體結(jié)構(gòu)

核磁共振找水儀由電源、發(fā)射與接收等部分組成，如圖3.1所示。

在計(jì)算機(jī)控制下，由單片機(jī)和DDS等產(chǎn)生如圖3.2（a）所示的拉莫爾激發(fā)信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)電路將這個(gè)信號(hào)調(diào)制為發(fā)射所需的電流，經(jīng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)鋪設(shè)于地面的電纜發(fā)射出激發(fā)信號(hào)。停止激發(fā)后，由快速開(kāi)關(guān)控制電路將電纜轉(zhuǎn)接到放大器輸入端。放大器將接收到的如圖3.2（b）所示的MRS信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)理后輸出給數(shù)據(jù)采集與處理電路，經(jīng)數(shù)據(jù)處理成為檢測(cè)到的地下水信息。圖3.1中的數(shù)據(jù)采集模塊為本文的主要研究?jī)?nèi)容。

3.2采集模塊主要功能及設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.2.1采集模塊主要功能

1、產(chǎn)生與MRS信號(hào)同頻的兩路參考正弦波，兩者相位相差90°；

2、實(shí)現(xiàn)兩路參考信號(hào)與MRS信號(hào)正交矢量放大；

3、同步采集正交后的兩路信號(hào)；

4、利用通訊模塊接收上位機(jī)指令，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)；

5、上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)處理后成圖顯示。

3.2.2采集模塊技術(shù)指標(biāo)

ADC位數(shù)：16位

采集通道：2通道同步采集

信號(hào)輸入范圍：-2.5V～+2.5V

采樣率：按1/4倍Lamor頻率程控可調(diào)

采樣時(shí)間：0ms～500ms程控可調(diào)

3.3設(shè)計(jì)框圖

3.3.1主要電路的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中以51系列單片機(jī)為控制核心，控制數(shù)據(jù)采集與處理。本設(shè)計(jì)中采用包絡(luò)采集的方案，采集到的數(shù)據(jù)量小，用51系列單片機(jī)可以滿足速度、容量等方面的要求。而且51系列單片機(jī)還具有開(kāi)發(fā)環(huán)境完備，開(kāi)發(fā)工具齊全，應(yīng)用技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定可靠，價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn).

如今可編程邏輯器件CPLD的技術(shù)已相當(dāng)成熟，CPLD器件具備了優(yōu)異的高速性能，高度的靈活性、可靠性，大規(guī)模集成及在系統(tǒng)可編程的能力。同時(shí)，CPLD的價(jià)格也很便宜，具有較高的性價(jià)比.

經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)加CPLD的方案。單片機(jī)與CPLD的完美結(jié)合也將單片機(jī)的應(yīng)用更上一層樓，使很多復(fù)雜的硬件電路集成在一片芯片上，大大的降低了布線的難度，簡(jiǎn)化了電路。相敏檢測(cè)器PSD是系統(tǒng)中比較重要的部分，也是電路設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜的部分。在本系統(tǒng)中，選用CPLD和乘法型D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)成模擬乘法型相敏檢測(cè)器。乘法型D/A轉(zhuǎn)換器有數(shù)字輸入、參考電壓輸入、模擬輸出，工作原理如圖3.3所示。

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為：

用CPLD儲(chǔ)存正弦波的波形輸入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端，將經(jīng)過(guò)核磁共振放大器后的MRS信號(hào)輸入D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入端，在模擬輸出端就會(huì)得到二者相乘的結(jié)果，這樣就用簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)了正弦波信號(hào)的產(chǎn)生以及與MRS信號(hào)的相乘，實(shí)現(xiàn)了相敏檢測(cè)器的功能。

采集模塊前面的核磁共振放大器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)通道的功能。核磁共振放大器具有低噪聲、高增益、中心頻率和增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足信號(hào)通道的要求。而CPLD產(chǎn)生的正弦波信號(hào)頻率、幅度、相位均可由上位機(jī)進(jìn)行編程調(diào)整，產(chǎn)生了參考信號(hào)并實(shí)現(xiàn)了參考通道的功能。

3.3.2整體框圖

整體電路框圖如圖3.4所示，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，再通過(guò)485通訊芯片由上位機(jī)進(jìn)行操作。信號(hào)通過(guò)相敏檢測(cè)器后，在由CPLD產(chǎn)生的采樣時(shí)序控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，采集到的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量有限，采集到的數(shù)據(jù)需要先存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器FRAM中，等上位機(jī)需要的時(shí)候再傳送到上位機(jī)。鎖相環(huán)PLL起倍頻作用，為了輸出頻率更精確的正弦參考信號(hào)。整個(gè)采集模塊的開(kāi)始采集時(shí)間、采樣率、采集結(jié)束時(shí)間都可以由上位機(jī)進(jìn)行控制。