基于核磁共振兩相流的信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

袁景峰，童美帥

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

生產(chǎn)井的產(chǎn)出液大都是以兩相流或三相流的形式存在，比通常的單相流的單一流動(dòng)特性復(fù)雜很多。對(duì)比傳統(tǒng)的兩相流測(cè)量方法，核磁共振技術(shù)可以在無損傷的情況下深入到物質(zhì)的內(nèi)部，并具有快捷、準(zhǔn)確、無污染、效果穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但核磁共振信號(hào)十分微弱，并常常伴隨著大量的噪聲，為了能夠有效的進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，設(shè)計(jì)了一套用于提高核磁共振兩相流感應(yīng)信號(hào)質(zhì)量的調(diào)理電路[3]。

1 信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過前端發(fā)射模塊的脈沖激勵(lì)作用后，感應(yīng)線圈會(huì)接收到一個(gè)隨時(shí)間衰減的核磁共振信號(hào)，由于信號(hào)頻率高、幅值低，需要對(duì)其進(jìn)行放大，并通過混頻濾波處理，如圖1所示為信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)框圖。首先信號(hào)經(jīng)過型選頻電路，將接收電路與接收線圈之間進(jìn)行阻抗匹配，將與氫原子核拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率一致的信號(hào)進(jìn)行選取，之后通過兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的幅值增強(qiáng)，最后通過與一路本振信號(hào)的混頻處理，經(jīng)過低通濾波后得到了最終滿足后級(jí)ADC電路輸入要求的中頻信號(hào)。

圖1 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)框圖

前置放大電路的設(shè)計(jì)采用了兩片AD603的順序級(jí)聯(lián)模式，兩級(jí)之間使用了電容進(jìn)行直接耦合，放大電路的增益主要由兩部分進(jìn)行控制，第一就是差分電壓的輸入，第二個(gè)影響增益的部分就是VOUT與FDBK兩個(gè)引腳之間反饋網(wǎng)絡(luò)的不同連接方式。

由于高頻信號(hào)的特性，此時(shí)若直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集會(huì)對(duì)ADC的帶寬提出很高的要求，同時(shí)高頻信號(hào)的輻射也會(huì)對(duì)信號(hào)的采集質(zhì)量造成影響。因此本文的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將從前置放大器輸出的信號(hào)與一個(gè)由自己設(shè)置頻率大小的本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理，最后通過低通濾波器將經(jīng)過混頻處理的中頻信號(hào)輸出給后續(xù)的數(shù)據(jù)采集模塊電路。

混頻濾波電路主要包括了在混頻器中對(duì)輸入信號(hào)和本振信號(hào)兩者的混頻處理和對(duì)輸出信號(hào)按照實(shí)際需求進(jìn)行的低通濾波器設(shè)計(jì)。本文選用AD831作為混頻器的主芯片，設(shè)計(jì)的低通濾波器的通帶頻率和阻帶頻率分別設(shè)為100kHz和400kHz。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

前置放大電路的每級(jí)增益計(jì)算方式為：

通過理論計(jì)算，信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)頻率大小為1 MHz、幅值大小為20mV的正弦波，目標(biāo)放大20倍至400mV，通過計(jì)算增益大約為26dB，代入式（1） 可得此時(shí)的VG=0.15V。由于電路中R16、R17和R18三個(gè)兩級(jí)之間的分壓電阻將+5V的VDD進(jìn)行分壓來提供不同的控制電壓給VGNEG，其中第一級(jí)的VGNEG=1V，故所需外部提供的VGNEG=1.15V，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2至總阻值的23%處進(jìn)行1.15V電壓的提供，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 前置放大器仿真測(cè)試結(jié)果

同時(shí)為了驗(yàn)證低通濾波器的實(shí)際效果，在濾波電路的輸入端分別輸入幅值相等，頻率大小不等的幾組信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，觀察到的的結(jié)果如圖3所示。圖2中通道一即為經(jīng)過放大后的信號(hào)，可以看出20mV的輸入信號(hào)此時(shí)的值為388 mV，與理論誤差僅為12 mV，很好的達(dá)到了預(yù)期的效果。從圖3看出，在頻率低于100 kHz時(shí)，信號(hào)的幅度能夠保持不變或很小的衰減，在大于100 kHz后的輸出幅度開始有較大的衰減，在400kHz左右信號(hào)已經(jīng)基本得到抑制，與仿真設(shè)計(jì)的400kHz阻帶頻率相一致。

圖3 濾波電路效果對(duì)比

3 結(jié)語

本文根據(jù)核磁共振信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套信號(hào)調(diào)理方案，簡(jiǎn)要介紹了基于AD603的前置放大電路和混頻濾波電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試，信號(hào)調(diào)理模塊能夠很好的對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并將大于100kHz的頻率分量進(jìn)行濾除，得到便于后級(jí)ADC采集的信號(hào)。