核磁共振信号频率测量系统的设计与实现

ByGrith4

4 T. L% E0 m( b4 _摘要:为提高核磁共振找水仪核磁共振信号频率的测量精度，设计并研制了核磁共振信号频率测量系统。该
系统采用等精度测频原理，以cpld (Complex Programmable Logic Device) 为核心处理芯片，整个系统由信号
! d' G: y) r! w) k. ~调理电路、CPLD和单片机等构成，实现了核磁信号的整形调理、信号有效段的判断及核磁信号频率测试的功
' Y- v- G8 ^* u; R+ {' D6 Y能。测试结果表明，该系统可较准确地测量出核磁信号的频率,其测量精度可达10-5。

7 j' }' P7 G# n关键词:核磁共振;信号调理;频率测量;可编程逻辑器件;单片机

' ?/ |1 B( y3 q引
! Q3 _1 Z! @; G/ m4 H/ y4 w" h言
我国是世界上人口最多的国家,水资源严重匮乏，尤其在北方许多干旱半千旱地区和城市，地下水
是重要甚至唯- -的水源”，因此采用高新技术探测地下水[2]已成为缓解这些地区用水危机的首要渠道,
目前唯- -能直接探测地下水的地球物理方法是地面核磁共振法。在基于核磁共振技术的找水仪中，接收
  q- }) N9 @: Q* R5 x# O$ ?信号的解释.与反演是仪器的重要组成部分，接收信号的频率与该地区地磁场拉莫尔频率的偏差决定了接
收信号的可信度，因此核磁共振信号频率测量系统在核磁共振找水仪研发中的地位至关重要。
( ?* U; D- C& u. z核磁共振信号的频率范围为1 ~4 kHz,具有幅度按e指数衰减、信噪比低、持续时间短等特点,所
' R* A: a$ \( |# u以测量采用等精度频率测量法”],同时需对信号进行整形调理和有效判断，用高速的CPLD(Complex
4 n, z+ B4 N8 R' q* l2 z. WProgrammable Logic Device)进行数据采集和计数，由单片机通过串口通讯送人上位机显示。
1等精度测频原理及闸门时间
1.1
& W9 V  c5 b/ Z9 h传统测频方法.
) y6 C4 ^) N  J; _  g* w常用的直接测量频率的方法主要有测周法和测频法两种(4)。
- T& z6 u; h) m% ?6 U1)测周法。需要有标准信号的频率f,,在被测信号的一个周期i,内，若记录标准信号的周期数为
N,,则被测信号的频率f, = f,/N.。
2)测频法。在确定的闸门时间T内，若记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)为N，则被
7 F% G  G# l% c8 ~; s  {, N: v测信号的频率f, = N,/Tg。
上述两种方法的计数值将产生+1个计数误差，且测试精度与计数器中记录的数值N,和N,有关。
" |, y; A7 f+ v- d1 O为了保证测量精度，-般对低频信号采用测周法，高频信号采用测频法，但在实用中很不方便，且在中
3 u: n5 v. G$ i% O- E5 Y界频率附近的量化误差较大。
+ g5 ~& u. D+ P" ^1.2
等精度测频法
+ [" k! g% C% |等精度测频法是在直接测频方法的基础上发展起来的5],其闸门时间不固定，而是被测信号周期
" _8 F) A/ T; R  S3 X. z1 z的整数倍，从而消除了对被测信号计数所产生的+1个计数误差。具有测量精度高，测量精度保持恒
定，不随被测信号的变化而变化的特点，并结合CPLD具有集成度高、高速和高可靠性的特点，可使频
率测试范围达到0.1 ~10* Hz,测量全域的相对误差恒定6.])。
' k8 F5 o$ U: ~4 n/ s% I测量时采用精确的高频信号作为标准信号，用两个计数器分别对f,和待测信号f,同步计数(见图
1)。先由外部预置闸门时间Tc开始，当预置闸门开启(. 上升沿)时，计数器并不开始计数，而是等到
被测信号的上升沿到来时，两个计数器才真正开始计数;当预置闸门关闭(下降沿)时，计数器并不
立即停止计数，而是等到被测信号上升沿到来才停止计数，完成1次测量过程。可见实际闸门时间Ts
' @7 S  F, w5 J6 Q. ]! M与预置闸门时间Tc并不严格相等，其差值不超过被测信号的1个周期。

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核磁共振信号频率测量系统在核磁共振找水仪研发中的地位至关重要