一种地面核磁共振信号锁相放大装置的制作方法

本实用新型属于核磁共振设备制备领域，尤其涉及一种地面核磁共振信号锁相放大装置。

背景技术：

伴随着现代测量技术的发展，微弱信号的检测被广泛地应用到各个领域，传统的检测方法有同步积累法、以及相关检测法等，其中锁相放大器就运用了相关检测法，利用互相关原理，把特定频率下的参考信号和与之频率相同的待测信号成分在相关器中进行相关运算，从而检测出被噪声淹没了的有用信号。锁相放大器具有可靠性高、检测能力强、通用性高等特点。运用锁相放大器能很好地对微弱信号进行检测,得到了广泛应用。锁相放大的原理是相敏检测技术。其中，只有一个相关器的锁相放大器称为单相锁相放大器，有两个相关器的锁相放大器成为双相锁相放大器。

地面核磁共振信号(Magnetic Resonance Sounding，MRS)就是一种微弱的信号，一般只有纳伏级。核磁共振信号的检测对于探测地下水具有重要意义。不同地域的地磁场具有不同大小的拉莫尔频率f_L(地球范围内境内主要是1kHz-3kHz，我国境内主要是1.7kHz-2.5kHz)[10-11]。所以本文研制的锁相放大装置也是要对在这一频率范围内的信号进行检测。通常锁相放大器体积都比较大，搬运很不方便，只能用于实验和测试。而很多时候我们要到现场(野外)采集地面核磁共振信号，所以要设计一套更加便携的锁相放大装置。

和国内相比，国外对这项技术的研究起步要更早一些，美国的EG&G和ATMETEH公司是行业的龙头企业。其中SIGNAL RECOVERY公司发明了世界上的第一台锁相放大器，而且一直处于该行业的顶尖水平。该公司的代表产品有：模拟锁相放大器5210，数字锁相放大器7225以及7280。5210的测量频率范围为0.5Hz-120kHz,动态储备达到130dB,是锁相放大器的标志性产品。此外，美国斯坦福SRS公司在本领域内取得的成就也极为突出，其生产的SR850数字锁相放大器是该公司的代表性产品，这是一款基于DSP技术设计而且支持波形显示的锁定放大器，动态储备大于100dB，而且可以自动设置增益和相位。

就国内而言，南京大学唐鸿宾等对锁相放大器的研宄起步较早，研发出了FS系列锁相放大器。但是这些装置体积都比较大，给野外的现场测试带来了不便，另外就是数据测量结果的准确性有待提高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种地面核磁共振信号锁相放大装置，能够提高测量结果的精度，并且使用的电子元件少，可实现缩小体积的目的。

本实用新型是这样实现的，一种地面核磁共振信号锁相放大装置，包括：

前置放大器，用于接受待测信号，将待测信号放大；

锁相放大器，与前置放大器的输出连接，

信号发生器，产生想要的频率的稳定正弦波信号作为参考信号与所述锁相放大器的输入端连接；

NET0824采集卡，通过经过串口后连接所述前置放大器和所述锁相放大器；

电源模块，与所述前置放大器、锁相放大器、频率合成器、NET0824采集卡以及74HC595串口连接后供电；

上位机，与NET0824采集卡连接用于显示；

其中，所述前置放大器包括依次输入输出连接的低噪声放大器、第一程控放大器、第二程控放大器、低通滤波器、高通滤波器、第三程控放大器以及输出放大器，所述低噪声放大器放大倍数为10倍，与所述第一程控放大器设置一隔直电容C，所述第一程控放大器、所述第二程控放大器以及第三程控放大器通过地址线控制放大倍数。

进一步地，所述锁相放大器包括两个输入端，其中一个输入端连接信号发生器接受参考信号的输入，参考信号输入至过零整形电路后经由谐波电路进入到锁相电路，所述锁相电路的输出端接入到正交方波发生器上，所述正交方波发生器的两个输出端分别连接第一乘法器与第二乘法器，所述第一乘法器与所述第二乘法器的输入端连接前置放大器的输出端，所述第一乘法器与所述第二乘法器的输出端分别连接低通滤波器I与低通滤波器II。

进一步地，所述谐波电路具有1-15次谐波控制端，所述锁相电路连接失锁指示二极管，所述正交方波发生器上连接90°步进粗调端。

进一步地，所述信号发生器采用AD9850芯片。

进一步地，所述串口采用4片74HC595芯片扩展为32个I/O口。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：锁相放大器能够较好地完成核磁共振信号的检测工作，传统的锁相放大器比较笨重，为了能够更好地完成现场测试的工作，利用模块化的锁相放大器：

1.利用程控前置放大器和锁相放大器，根据需要将模拟的处于1kHz-3kHz的地面核磁共振信号放大8-8×10⁶倍，达到了预期的指标。选择合适的时间常数，将检测结果和理论值进行对比，验证了测量结果的准确性。

2.利用采集卡作为整个采集系统的控制中枢，完成了对两个放大器模块和AD9850的参数配置工作和数据采集的任务，将整个装置有机地结合起来。

3.整个装置的体积和重量都很小，具有便携的特点，能够很好地完成现场测试的任务。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的设备结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的前置放大器的结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的74HC595芯片的引脚定义图；

图4是本实用新型实施例提供的低通滤波器的框图；

图5是本实用新型实施例提供的高通滤波器的框图；

图6是本实用新型实施例提供的锁相放大器的结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1所示的一种地面核磁共振信号锁相放大装置的框图，包括：

前置放大器，用于接受待测信号，将待测信号放大；

锁相放大器，与前置放大器的输出连接，

信号发生器，产生想要的频率的稳定正弦波信号作为参考信号与所述锁相放大器的输入端连接；

NET0824采集卡，通过经过串口后连接所述前置放大器和所述锁相放大器；

电源模块，与前置放大器、锁相放大器、频率合成器、NET0824采集卡以及74HC595串口连接后供电；

上位机，与NET0824采集卡连接用于显示；

参见图2，其中，前置放大器包括依次输入输出连接的低噪声放大器K₁、第一程控放大器K₂、第二程控放大器K₃、低通滤波器、高通滤波器、第三程控放大器K₄以及输出放大器K₅，所述低噪声放大器放大倍数为10倍，与所述第一程控放大器设置一隔直电容C，所述第一程控放大器、第二程控放大器以及第三程控放大器通过地址线控制放大倍数。

本放大器的输入级K1为特低噪声放大器，输入短路噪声电压为固定放大10倍，即K₁＝10。

第一程控放大器后经过一个隔直电容连接第二程控放大器，所有程控放大器均有两种控制方式：第一种是通过拨码开关进行档位选择，从而选择该级放大器的放大倍数；第二种是通过若干根(每个程控单元不一样)地址线控制。而本实施例中要做的是程控锁相放大系统，所以就要使用第二种方式，对每个地址线进行控制从而完成对放大器参数的配置工作。

第一程控放大器是一个高性能放大器，放大倍数K2通过三根地址线控制，可以使K₂＝1、2、5、10、20、50、100，共有七档放大倍数可以选择。

第二程控放大器是一个衰减器，其放大倍数K3通过两根地址线控制，可以使K₃＝0.01、0.1、1，共有三档可以选择。

其次是低通滤波器，低通截止频率f_LC通过三根地址线控制，f_LC为10kHz、3kHz、1kHz、300Hz、100Hz、30Hz、10Hz、3Hz,共有八档可以选择。

再次是高通滤波器，高通截止频率f_HC通过两根地址线控制，f_HC为0.1Hz、1Hz、10Hz、30Hz、100Hz、300Hz、1kHz、3kHz,共有八档可以选择。

接下来是第三程控放大器，也是一个高性能程控放大器，放大倍数K4通过三根地址线控制，可以使K₄＝1、2、5、10、20、50、100，共有七档放大倍数可以选择。

最后一级输出放大器为输出级，放大倍数固定为K₅＝1倍。

所以总放大倍数K总＝K1K2K3K4K5，通过对三个程控放大器放大倍数的合理选择可以使放大倍数K＝0.1-100K并按照1、2、5、10的规律变化。上述的程控放大器具体的结构，为采用的是市面上常规的结构就可以实现的，此处不再给出程控放大器具体的结构。

参见图4，锁相放大器可以采用HB-292(V-1)型高性能双相锁相放大器，本实施例中包括两个输入端，其中一个输入端连接信号发生器接受参考信号的输入，参考信号输入至过零整形电路后经由谐波电路进入到锁相电路，锁相电路的输出端接入到正交方波发生器上，正交方波发生器的两个输出端分别连接第一乘法器与第二乘法器，第一乘法器与第二乘法器的输入端连接前置放大器的输出端，第一乘法器与所述第二乘法器的输出端分别连接低通滤波器I与低通滤波器II。

而谐波电路具有1-15次谐波控制端，锁相电路连接失锁指示二极管，所述正交方波发生器上连接90°步进粗调端。

信号发生器输出的参考信号经过过零整形电路产生参考信号的同频方波，送到谐波电路，根据测量的需要可以控制谐波电路产生1次至15次的谐波。锁相电路的失锁指示灯开始是亮的，当参考信号稳定时，失锁指示灯熄灭，本放大器要求参考信号是稳定的周期信号，大小在200mV-3V之间均可。然后可以根据需要选择0°、90°、180°、270°的相移量。接着到了锁相放大器最核心的部件：相关器。相关器对被测信号进行相关处理，在信噪比极低的情况下，还原有用的信号。相关器由乘法器和低通滤波器组成，相关器之后为直流放大100倍，并抑制噪声的干扰，需要根据需要选择合适的时间常数。本实施例为双相锁相放大器，具有同向和正交两个相关器。因此，输出的两个电压值是被测信号的同相分量和正交分量。

谐波电路可以选择参考信号的1次至15次谐波，通过四根地址线可以选择谐波数。

90°的步进粗调功能通过两根地址线控制，可以选择0°、90°、180°、270°，共四档。

时间常数的选择通过三根地址线控制，可以选择1ms、3ms、10ms、30ms、100ms、300ms、1s、3s，共8档。

本实施例中信号发生器采用AD9850芯片。

参见图3，串口采用4片74HC595芯片扩展为32个I/O口。

本实施例中参见图5，低通滤波电路包括型号为LT1885IS的第一运算器A1，所述第一运算器的同相输入端连接电阻R2，并通过电容C1接地，所述第一运算器的反相输入端连接电阻R1后并通过可调电阻Rf1连接输出端。

参见图6，高通滤波电路：包括型号为LT1885IS的第二运算器A2，所述第二运算器A2的同相输入端通过连接电容C2输入，并通过电阻R4接地，所述第二运算器A2的同相输入端通过电阻R3接地后，通过可调电阻Rf2连接至输出端。

本装置是三通道同时采集的。装置上电以后，第一步要首先对串口74HC595进行配置从而对前置放大器和锁相放大器的参数进行配置、对AD9850信号发生器进行配置并选择参考信号的频率。

第一种方式，采集卡通过自身向外发出同步信号，产生一个下降沿，在下降沿到来之前，整个装置不工作，等到下降沿到来以后就作为信号发生器AD9850的触发信号，信号发生AD9850开始产生一个可设置的固定频率的正弦波作为参考信号，参考信号很快进入稳定状态，锁相放大器的失锁指示灯熄灭，锁相放大器开始工作。然后采集卡中的AD芯片马上进入工作状态，采集结束后采集卡产生一个上升沿并结束本次采集。AD芯片采集后自动将数据上传至上位机并显示出被测信号的同相分量V_x和正交分量V_y，还有锁相放大器的信号输入端的输入信号Vo。

第二种方式，采集卡先不工作，变为通过TRIG_IN等待外部的触发信号，当触发信号产生一个下降沿，AD9850信号发生器开始产生一个可设置的固定频率的正弦波作为参考信号，锁相放大器开始工作。然后和第一种方式一样，完成一次采集过程。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。