MRS接收系统压控窄带滤波器设计

刘婷婷 尚新磊 巨长磊

(吉林大学仪器科学与电气工程学院1，吉林 长春 130021;国家地球物理探测仪器工程技术研究中心2，吉林 长春 130061)



MRS接收系统压控窄带滤波器设计

刘婷婷1,2尚新磊1,2巨长磊1,2

(吉林大学仪器科学与电气工程学院1，吉林 长春 130021;国家地球物理探测仪器工程技术研究中心2，吉林 长春 130061)

传统核磁共振探测(MRS)在接收系统中的窄带滤波时，需调节输入时钟、滤波器Q值、放大倍数等控制参量，因此存在参量多、调节时间长的问题。利用VCA810压控放大器，设计了一款适用于核磁共振找水仪的窄带滤波电路。该滤波器具有增益恒定、带宽固定、噪声低和中心频率可调等优点，只要调节输入电压即可改变中心频率。测试表明，该滤波器具有中心频率连续可调、带宽恒定、增益为1、噪声低等特性，可替代传统核磁共振找水仪中的窄带滤波电路。

核磁共振 VCA810 滤波器 频率 低噪声 增益固定 仿真 水资源 探测

Detection

0 引言

利用核磁共振原理进行地下水资源探测是近年新兴起的地球物理探测方法[1-2]。该方法接收核磁共振信号[3]，信号的强度十分微弱(10-9～10-6V)。当探测环境干扰多、频率复杂时，运用合理的方法进行信号滤波、提高信噪比具有重要意义[4-5]。

在传统的核磁共振接收系统中，窄带滤波电路采用开关电容滤波器搭建[6]，通过微控制器改变时钟控制单元输出信号的频率，从而改变窄带滤波器的中心频率[7]。同时，由于系统通过放大器调节滤波器的增益，所以整体结构复杂、器件繁多、调节参数多。

为改善传统窄带滤波的性能，本文提出了一种基于VCA810(电压控制增益型放大器)设计、通过电压调节中心频率的带通滤波器，并证明其可成功应用于核磁共振探测(magnetic resonance sounding，MRS)接收系统中，使得窄带滤波电路设计简单、调节方便。

1 窄带滤波存在的问题

1.1 核磁共振接收系统

MRS接收系统的组成框图如图1所示，主要由接收线圈、配谐电容、继电器板、信号调理板、信号采集板及上位机组成。当信号采集板检测到同步信号时，继电器吸合，此时接收线圈和谐振电容组成的谐振电路接收MRS信号；然后通过信号调理电路对微弱信号进行放大、滤波等处理后，送给信号采集板；最后将采集的信号传送给上位机作进一步的显示与处理。

图1 MRS接收系统组成框图

图1中的信号调理板电路框图如图2所示，主要由前置放大、宽带滤波、宽带放大、窄带滤波、窄带放大等部分构成。由微处理器来控制前置放大器的放大倍数、窄带滤波器的带宽、中心频率和窄带放大器的放大倍数[8]。

图2 MRS接收系统中模拟信号调理电路框图

接收系统的输入信号首先经过前置放大器放大，再经过宽带滤波器滤除工频干扰和通信电磁波干扰，并由宽带放大器进行信号放大；然后采用可编程窄带滤波器筛选出有用信号，滤除干扰信号；由最后一级放大器将有用信号放大，并输入A/D转换电路。

1.2 窄带滤波电路原理

在各级放大、滤波电路中，窄带滤波电路作为最后一级滤波电路，其性能会直接影响采集信号的噪声及有用信号成分含量。因不同地区的地磁场信号的中心频率不同，要求窄带滤波器的中心频率可调。在全球范围内，地磁场信号变化范围为1.3～3.7 kHz，所以要求窄带滤波器满足中心频率在此频率范围内可调、带宽恒定、放大倍数固定的基本要求。

MRS找水仪接收系统中的窄带滤波器是基于开关电容滤波芯片设计的，其构成的原理框图如图3所示。

图3 窄带滤波器构成原理框图

时钟发生单元采用直接数字式频率合成器(direct digital synthesizer,DDS)技术产生的可编程输入时钟，微处理器MCU可以改变时钟发生单元的输出频率，从而调节开关电容滤波芯片产生带通滤波器的中心频率，实现中心频率可调的功能[9]。微处理器调节开关电容滤波器的Q值，从而改变窄带滤波器的带宽，使滤波器中心频率发生改变时，滤波器带宽基本保持不变。微处理器需控制后置放大电路的增益，补偿因中心频率和Q值改变所引起的、由于开关电容滤波器产生的增益变化，避免出现失真现象。

在长期使用过程中发现，基于开关电容滤波芯片设计的窄带滤波器存在以下缺点。

①使用窄带滤波器选择有效信号时，调节的变量很多，需要多次调节时钟发生单元的输出频率、滤波器的品质因数Q和增益控制电路的放大倍数，控制复杂、耗时较长；

②开关电容滤波芯片所引入的外部噪声较大，对核磁共振的微弱信号有一定的影响；

③开关电容滤波器需外加电源和时钟脉冲，加大了系统的复杂程度，增加了系统功耗。

2 基于VCA810的窄带滤波器

2.1 窄带滤波器的总体设计

针对传统MRS接收系统中窄带滤波器的不足，本文提出了一种带宽和增益固定，可通过电压控制中心频率的窄带滤波器，其原理框图如图4所示。

图4 基于VCA810的窄带滤波器原理框图

窄带滤波电路由8阶带通滤波器组成。每一阶带通滤波器都是基于VCA810设计的，通过电阻分压网络，输出可变的直流电压给VCA810，可调节带通滤波器的中心频率。设计滤波器的带宽恒定，增益固定为1，只要调节输入电压即可控制带通滤波器，操作十分方便，大大降低了仪器的操作复杂程度。

2.2 VCA810的单阶带通滤波器设计

VCA810是一款增益可连续变化的电压控制增益型放大器，具有频带宽、输入电压范围大、噪声低等特点。利用VCA810，可设计一款电压控制频率型(voltage control frequency,VCF)带通滤波器，其设计电路原理图如图5所示。

图5 单级VCA810滤波电路图

根据压控带通滤波器的频率响应公式：

(1)

令虚部等于零，求得其滤波器的中心频率为：

(2)

G为输出电压与输入电压的指数放大关系：

G(UO/Ui)=10-2(UC+1)

(3)

故滤波器中心频率的表达式为：

(4)

滤波器的中心频率由输入电压UC控制，实现了电压调节滤波器中心频率(U-F)的基本功能。滤波器的带宽计算公式为：

(5)

该方案设计的滤波器带宽不变，可根据所需的带宽设计滤波器的nR和C的值。根据品质因数为滤波器的中心频率除以带宽，可得出品质因数Q的计算公式为：

(6)

由于核磁共振信号噪声成分较为复杂，为获得较好的滤波结果，必须降低带通滤波器的矩形系数。矩形系数越接近1越好，即表明滤波器滤波特性越接近理想滤波器。为降低滤波器的矩形系数，本设计采用多个滤波器级联的方案。由于中心频率相同的带通滤波器级联后，其总的幅频特性为各滤波器幅频特性的乘积，因此通带外的频率成分会有大幅度的衰减。同理可知，多个滤波器级联后，滤波器的总带宽会改变，级联后的带宽可根据下面的公式[10]求出：

(7)

式中：n为滤波器级联个数。

因全球范围内的地磁场信号的中心频率不同，变化范围为1.3～3.7 kHz，所以设计目标定位如下。当UC=0时，滤波器的中心频率f0在700 Hz；当UC=-1时，滤波器的中心频率f0=7 kHz。这就保证了当UC在-1～0 V的变化范围内，滤波器的中心频率可覆盖的磁场信号频率变化范围为1.3～3.7 kHz。首先，选定C=22 nF，根据中心频率计算公式(4)，当R=1 kΩ、UC=0时，f0=723.79 Hz；UC=1时，f0=7.237 9 kHz。该结果基本符合设计要求。同时，为加强滤波器的选频特性、降低滤波器的矩形系数，本设计采用8级中心频率相同的滤波器级联组成，设定最后的带宽为72 Hz。根据式(7)，每一级滤波器的带宽为1 419 Hz，根据式(5)可求出nR约为30 kΩ。

3 仿真及测试结果

3.1 滤波器仿真特性曲线

3.2 滤波器实测结果

3.2.1 滤波器特性曲线

为了对滤波器的滤波性能进行分析验证，选用网络分析仪，测试了滤波器的滤波特性曲线。本文选择对中心频率为719.24 Hz的滤波特性进行分析，测试结果如图6所示。

图6 滤波器实测特性曲线图

当中心频率为719.24 Hz时，增益Gain=-3 dB对应的频率分别为686.46 Hz和757.98 Hz，由此可知滤波器的带宽为71.52 Hz；增益Gain=-20 dB对应的频率分别为615.32 Hz和832.43 Hz，可求得实际测出的矩形系数为3.03。测试结果与理论设计基本相符。3.2.2 滤波器噪声测试

采用放大器件组合设计的带通滤波器会引入一定的噪声。为确保滤波引入的噪声对仪器接收系统产生的影响较小，进行了滤波器短路噪声测试，测试结果如图7所示。

图7 滤波器噪声测试及频谱分析图

图7(a)表示输入短路时输出端测到的噪声，可得出滤波器的瞬态噪声幅度不超过100 mV，存在微弱直流噪声。对噪声进行了频谱分析，结果如图7(b)所示。在有效带宽1.3～3.7 kHz范围内，噪声频谱非常平坦、幅值很小，由此可知引进的噪声在可接受范围内。3.2.3 滤波特性测试

滤波器的实测波形和频谱分析图如图8所示。试验过程中，通过数字信号发生器产生多个频率叠加的正弦波波形，如图8(a)所示。其频谱特性如图8(c)所示，正弦波的频率是以20 Hz为间隔，从1 kHz逐渐升至1.5 kHz。将此信号输入给滤波器进行滤波，逐渐调节滤波器的控制电压UC，使带通滤波器的中心频率为1.5 kHz，得出了滤波后的结果如图8(b)所示。对其进行频谱特性分析，结果如图8(c)所示。从图8(c)中明显看出，频谱的中心频率在1.5 kHz，且带宽较窄。滤波的实测结果满足设计需求。

4 结束语

本文根据核磁共振检测信号的特点，针对核磁共振找水系统中窄带滤波电路中存在的不足之处进行了分析。运用VCA810放大芯片，设计了窄带滤波器电路，完成了电路的理论分析和仿真测试[11-12]。通过分析测试结果发现：基于VCA810的压控滤波器具有噪声低、带宽和增益不变、中心频率可调等特性；同时，只需调节输入控制电压UC，即可改变滤波器的中心频率，大大简化了操作过程。经理论分析及测试验证，此滤波器可应用于核磁共振找水系统。

图8 滤波器实测波形及频谱分析图

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Design of Voltage-controlled Narrowband Filter in the MRS Receive System

In the traditional narrowband filter of MRS receiving system,there are many control parameters need to be adjusted,such as input clock,Q value,and amplification,etc.,and which takes a long time.To solve the problem,the narrowband filter which is suitable for magnetic resonance water detector is designed by using VCA810 voltage-controlled amplifier. The filter has the features of constant gain,fixed bandwidth,low noise and adjustable center frequency,and the center frequency is controlled only by changing the input voltage. The test shows that this filter features adjustable center frequency,constant bandwidth,gain equals one,and low noise,etc.,and it can replace the traditional narrowband filter in magnetic resonance water detector.

Nuclear magnetic resonance (NMR) VCA810 Filter Frequency Low noise Fixed gain Simulation Water resources

国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目(编号：2011YQ030133)。

刘婷婷(1988—)，女，2014年毕业于吉林大学测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，工程师；主要从事地质仪器的研究与成果转化工作。

TH7;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608021

修改稿收到日期：2016-04-05。