核磁共振測(cè)井微弱信號(hào)接收鏈路研究＊

張嘉偉 薛志波 宋公仆 王光偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心 北京)

核磁共振測(cè)井微弱信號(hào)接收鏈路研究＊

張嘉偉 薛志波 宋公仆 王光偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心 北京)

文章主要介紹一種核磁共振測(cè)井微弱信號(hào)接收鏈路電路的設(shè)計(jì),首先給出整個(gè)接收鏈路的設(shè)計(jì)思路,然后從各部分入手詳細(xì)分析每個(gè)部分的具體功能與實(shí)現(xiàn),最后對(duì)接收鏈路中前放電路噪聲水平進(jìn)行詳細(xì)的分析與計(jì)算。

核磁共振;微弱信號(hào);信號(hào)調(diào)理;接收電路;噪聲電壓

0 引 言

核磁共振測(cè)井方法可直接測(cè)量地層孔隙中可動(dòng)流體的信息,可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布,其孔隙測(cè)量不受巖石骨架礦物成分的影響。在過去的近20年里,核磁共振測(cè)井儀器研制和資料應(yīng)用一直是石油測(cè)井領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域,受到廣泛關(guān)注[1]。本文主要對(duì)核磁共振測(cè)井中微弱信號(hào)接受鏈路電路進(jìn)行分析說明,詳細(xì)分析了關(guān)于接收電路各部分的設(shè)計(jì)思想與接收電路噪聲水平,從而對(duì)核磁共振測(cè)井中微弱信號(hào)的接收電路設(shè)計(jì)有一個(gè)比較深刻的了解與認(rèn)識(shí)。

1 核磁共振測(cè)井接收鏈路整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

圖1 核磁共振測(cè)井接收鏈路整體框圖設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井接收鏈路的整體框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。該接收鏈路的主要功能是對(duì)地層核磁共振微弱信出給數(shù)字采集板進(jìn)行相關(guān)的采集操作。該部分是整個(gè)核磁共振測(cè)井儀器電路的核心部分,其信噪比與噪聲性能直接影響整體儀器的性能參數(shù),因此鏈路部分的好壞對(duì)整個(gè)儀器的性能指標(biāo)至關(guān)重要。

核磁共振接收鏈路主要由一塊隔離電路(decoupler電路)、一塊前放接收電路(PreAmp電路)以及一系列輔助電路組成。其中隔離電路的主要作用是在儀器進(jìn)行高壓發(fā)射激發(fā)地層回波的過程中隔離天線探頭信號(hào)與前放板之前的連接,起到保護(hù)前放電路的作用[2]。前放電路主要是將地層激發(fā)到底微弱回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大,將調(diào)理后的信號(hào)輸出給采集電路進(jìn)行數(shù)字采集與DPSD相敏檢波處理。圖1中用信號(hào)發(fā)生器加衰減器來模擬實(shí)際天線上的微弱回波信號(hào),事件控制板主要是起到控制接收鏈路進(jìn)行相關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的作用,這個(gè)與實(shí)際CPMG序列時(shí)序有密切的關(guān)系。下面重點(diǎn)對(duì)接收鏈路中隔離板與前放接收板兩部分進(jìn)行分析。

1.2 隔離電路設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井儀中隔離板的主要作用是當(dāng)核磁儀器在發(fā)射高壓信號(hào)激發(fā)地層回波信號(hào)時(shí),有效阻斷天線探頭與前放的通路,從而達(dá)到有效保護(hù)前置放大電路不受高壓沖擊的作用。其設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2中,天線連接隔離板的輸入部分,隔離板具備一個(gè)輸入高壓檢測(cè)電路,其主要是有運(yùn)放搭建成一個(gè)比較器,來實(shí)時(shí)保護(hù)前放電路免受天線上高壓的危害。當(dāng)發(fā)射高壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)候,該比較器檢測(cè)到高壓信號(hào),然后強(qiáng)制啟動(dòng)收發(fā)控制邏輯模塊的輸出電壓,使其及時(shí)變低電平從而有效驅(qū)動(dòng)隔離板上兩個(gè)MOSFET管有效關(guān)斷。圖2中的收發(fā)開關(guān)是由兩個(gè)耐電流極高的MOSFET管構(gòu)成。當(dāng)核磁儀發(fā)完激勵(lì)信號(hào)后,需要由事件控制電路產(chǎn)生一個(gè)softdump的軟瀉放控制信號(hào),使隔離板上的瀉放開關(guān)導(dǎo)通同時(shí)控制收發(fā)切換控制信號(hào)使RT_SW為高電平從而導(dǎo)通收發(fā)開關(guān)使其天線與接收電路導(dǎo)通的同時(shí)接地,起到瀉放天線中還未損耗掉的殘余能量,為緊接著的微弱地層回波信號(hào)接收作準(zhǔn)備。一般此時(shí)間控制為30μs以內(nèi),然后將softdump軟瀉放控制信號(hào)變高以斷開瀉放開關(guān)開始正常接收地層回波信號(hào)。

圖2 核磁共振測(cè)井儀隔離電路設(shè)計(jì)

1.3 核磁共振儀前放調(diào)理電路設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井儀中前放微弱信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)好壞直接影響到后面對(duì)回波信號(hào)幅值和相位提取的精度。前放微弱信號(hào)調(diào)理電路主要是由一系列低噪聲精密放大器組成。第一級(jí)由兩組差分儀用放大電路并聯(lián)搭建而成,其主要作用是有效降低輸入噪聲電壓;第二級(jí)主要是由三級(jí)級(jí)聯(lián)的低噪聲運(yùn)放電路搭建而成,起到放大微弱信號(hào)的作用;第三級(jí)由一個(gè)1 MHz低通濾波放大電路構(gòu)成,其主要作用是將前面放大后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理,以提高微弱信號(hào)的信噪比;最后一級(jí)由AD8131芯片來將前面放大濾波處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)便于傳輸給采集電路板,其作用主要是起到一個(gè)單端信號(hào)轉(zhuǎn)雙端差分信號(hào)以有效提高信號(hào)的共模抑制比,減小信號(hào)傳輸過程中空間差模信號(hào)干擾的作用。前放信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 微弱信號(hào)前置調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖

由于回來的信號(hào)十分微弱大概在100 nV～5μV左右范圍內(nèi),且噪聲水平在幾個(gè)微伏左右,因此其輸入信躁比基本在-40 dB以下,所以對(duì)前放的布局以及芯片的選擇上需要特別注意其等效電壓噪聲應(yīng)小于3nV/和等效電流噪聲水平小于

2 接收電路噪聲分析

前面主要介紹了核磁共振測(cè)井中微弱信號(hào)接收鏈路的相關(guān)設(shè)計(jì)與功能分析,下面就其中最關(guān)鍵部分前放微弱信號(hào)接收電路的主要噪聲性能再作一個(gè)細(xì)致的分析說明,從而更加清晰地了解對(duì)于微弱回波信號(hào)的接收,前放電路需要達(dá)到的性能指標(biāo)要求。

2.1 前放電路噪聲關(guān)鍵理論分析

由于回波信號(hào)微弱,接收鏈路前置放大所需要增益較大,考慮到放大器增益帶寬積問題,接收鏈路前置放大采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的方式得到期望的增益、阻抗特性、頻率響應(yīng)和功率電平,同時(shí)經(jīng)常用負(fù)反饋來穩(wěn)定交直流增益。

根據(jù)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)關(guān)系式[3]:

式中,F1、F2、…,FN-1分別為前N-1級(jí)放大電路噪聲系數(shù);G1、G2、…,GN-1分別為前N-1級(jí)放大器放大倍數(shù),F1,2,……,N為級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。分析N級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以得出結(jié)論,在放大電路第一級(jí)增益較大時(shí),級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)主要受第一級(jí)噪聲系數(shù)的影響,因此接收鏈路前置放大設(shè)計(jì)主要集中第一級(jí)噪聲系數(shù)的減小上。除低噪聲運(yùn)算放大器的使用還需考慮合適的電路形式以滿足共模抑制要求以及天線回波信號(hào)差分輸出接口設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)接收鏈路前置放大第一級(jí)噪聲系數(shù)最小。可采用耦合變壓器或者幾路放大器件并聯(lián)實(shí)現(xiàn)接收鏈路前置放大與天線之間的噪聲匹配(最佳源電阻匹配)。

未最佳源電阻匹配時(shí)的噪聲系數(shù)F:

式中,En為等效噪聲電壓;In為等效噪聲電流;Rs為信號(hào)源電阻。

最佳源電阻匹配后的最佳噪聲系數(shù)Fop:

2.2 實(shí)際前放電路噪聲分析與測(cè)試

前放電路的第一級(jí)是2個(gè)差分儀用放大電路的并聯(lián)。該電路部分的噪聲水平直接決定了整體前放電路的噪聲系數(shù)水平。其每個(gè)儀用放大器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 儀用放大器結(jié)構(gòu)圖

一般應(yīng)用中采用R1=R2,R3=R4,R5=R6的設(shè)計(jì)[4]。這樣整體級(jí)聯(lián)電路等效到輸入的總噪聲電壓可以化簡為:

式(4)中Ens為信號(hào)源等效噪聲電壓;Rs為信號(hào)源阻抗,Rs1,…,Rs(t-1)分別為1,2,…,t-1放大電路輸出電阻。等效噪聲電壓En1,En2,…,Ent分別為1,2,…,t級(jí)放大等效噪聲電壓,In1,In2,…,Int分別為1,2,…,t級(jí)放大等效噪聲電流;G1,G2,…,Gt-1分別為1,2,…,t-1放大電路增益。前放電路運(yùn)放主要采用AD797芯片,其等效噪聲電壓功率等效噪聲電流功率信號(hào)源內(nèi)阻小于1 KΩ時(shí),等效噪聲電流功率的影響相對(duì)于等效噪聲電壓功率的影響不在同一數(shù)量級(jí),可以忽略。電阻的熱噪聲為,圖4中電阻R的取值10Ω,在室溫條件下,其熱噪聲大概為由于前級(jí)放大倍數(shù)較大,可知電路噪聲主要由前級(jí)貢獻(xiàn)。前置放大電路等效輸入噪聲電壓公式簡化為則前置放大等效輸入噪聲由于接收鏈路前置放大電路設(shè)計(jì)的體積被限制,采用n=2的兩路差分放大器并聯(lián)方式設(shè)計(jì),則并聯(lián)前放第一級(jí)等效輸入噪聲電壓為綜合可知,前置放大電路的噪聲主要由運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓En決定。按照理論計(jì)算輸出噪聲的峰峰值9×10-10V/××40 000×6.6=212.5 mV,前放按照?qǐng)D3所示搭建并將輸入短接,測(cè)得的噪聲輸出最大峰峰值225 mV。噪聲輸出測(cè)試如圖5所示,測(cè)試所得的Pk-Pk(M)值為225 mV,已經(jīng)與理論計(jì)算值相當(dāng)接近,說明所設(shè)計(jì)的前放電路噪聲水平已經(jīng)接近其理論噪聲抑制水平。

圖5 前放噪聲輸出測(cè)試

3 結(jié)束語

本文主要論述了核磁共振微弱信號(hào)接收鏈路的相關(guān)設(shè)計(jì),其中主要對(duì)接收鏈路中隔離電路與前放信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述,對(duì)前放電路的噪聲進(jìn)行了理論分析與實(shí)際測(cè)試。前放電路輸出噪聲測(cè)試結(jié)果表明該微弱信號(hào)接收鏈路設(shè)計(jì)已經(jīng)接近理論水平,滿足核磁共振回波接收的參數(shù)要求。

[1] George Coates,肖立志,Manfred Prammer著,孟繁瑩譯.核磁共振測(cè)井原理與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007

[2] Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientific Instruments,1966

[3] 劉光祜,饒妮妮,模擬電路基礎(chǔ)[M].成都:電子科大出版社,2001

[4] 戴逸松.微弱信號(hào)檢測(cè)方法及儀器[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994

PI,2010,24(6):4～6

The paper introduces a weak signals′receiving channel on NMR logging,describes the whole structure of receiving channel,analyses the every part of receiving channel,and analyses the noise level of pre-amplifier circuit which designed for NMR logging.

Key words:NMR;weak signals;signal adjust;receiving channel;voltage noise

Research of weak signals′receiving channel on NMR logging .

Zhang Jiawei,Xue Zhibo,Song Gongpu and Wang Guangwei.

P631.8+7

B

1004-9134(2010)06-0004-03

中海油企業(yè)發(fā)展基金支助(H04010701W070552)

張嘉偉,男,1982年生,工程師,2007年畢業(yè)于成都電子科技大學(xué),現(xiàn)在中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心從事石油測(cè)井儀器的研制工作。郵編:101149

2010-05-29編輯:高紅霞)