井間測井儀動態(tài)濾波電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 梟，王 俊，鄒華寶，張培均，楊 雯

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國石油集團(tuán)測井技術(shù)有限公司 陜西 西安 710077)

·開發(fā)設(shè)計·

井間測井儀動態(tài)濾波電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 梟1，2，王 俊2，鄒華寶2，張培均2，楊 雯2

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國石油集團(tuán)測井技術(shù)有限公司 陜西 西安 710077)

井間測井儀根據(jù)不同地層選擇不同的工作頻率，電路系統(tǒng)同步調(diào)整預(yù)處理電路的增益倍數(shù)和濾波電路中心頻率。為了實(shí)現(xiàn)帶通濾波中心頻率的實(shí)時調(diào)整，通過幾種方案對比，確定以濾波芯片MAX263為基礎(chǔ)來設(shè)計。重點(diǎn)描述動態(tài)濾波電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，對電法類測井儀通用預(yù)處理電路的設(shè)計有較高的參考價值。

井間測井儀； 動態(tài)濾波；帶通濾波

0 引 言

井間測井在地面地震與測井、油藏地質(zhì)之間搭起一座相互聯(lián)系的橋梁。井間測井層析成像技術(shù)可以監(jiān)測流體的運(yùn)移、油氣飽和度變化，并且能夠準(zhǔn)確評價油藏，在老油田二次開發(fā)、提高采收率、增儲上產(chǎn)方面發(fā)揮重要作用[1]。

井間測井儀發(fā)射電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時會衰減，井間距離越大電磁場衰減越厲害，而且這種衰減與原頻率以及介質(zhì)電導(dǎo)率有關(guān)。井間距離確定后，需要根據(jù)不同地層，調(diào)整發(fā)射源工作頻率，以獲得最佳的測量效果。

目前國內(nèi)進(jìn)行深層次研究的主要有勝利油田與美國EMI公司聯(lián)合研發(fā)井間電磁成像測井樣機(jī)XBH2000，考慮到金屬套管對電磁波信號的有很強(qiáng)的衰減和相位移作用，有針對性設(shè)計1Hz、5Hz至1.848kHz等10種不同的工作頻率，并通過理論計算與試驗(yàn)確定各種套管的衰減系數(shù)。但現(xiàn)場應(yīng)用10種工作頻率不能滿足最佳的測量效果,工作頻率可能選擇1Hz∽10kHz范圍內(nèi)的任何頻率。套管的衰減系數(shù)需要在掃頻情況下，確定各接收線圈不同頻率信號大小進(jìn)行標(biāo)定[2]。電路系統(tǒng)的預(yù)處理電路，需要設(shè)計動態(tài)的帶通濾波器，以明確每個頻率信號的大小。本文基于此，提出動態(tài)濾波器設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了掃頻時動態(tài)濾波功能，作為電路系統(tǒng)動態(tài)濾波設(shè)計的一個參考。

1 設(shè)計目的與思想

1.1 設(shè)計目的

為滿足井間測井儀數(shù)據(jù)處理需求，電路系統(tǒng)預(yù)處理電路要求實(shí)現(xiàn)微弱信號的前置放大，并在1Hz～10kHz范圍跟蹤濾波，即要求帶通器中心頻率隨著發(fā)射電路的工作頻率變化而變化[3]。

1.2 設(shè)計思路

同時為了抑制電路系統(tǒng)隨溫度變化引起的增益與相位偏移，輸入信號由來自線圈的測量和來自電路系統(tǒng)的內(nèi)刻信號組成，并通過選通電路來進(jìn)行切換，分時進(jìn)入前置放大電路和帶通濾波電路。

預(yù)處理電路由三部分構(gòu)成，選通電路、前置放大電路和動態(tài)濾波電路，電路設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)框圖

選通電路采用通用的兩通道模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，前置放大電路采用經(jīng)典的差分深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)，在此不再詳述，下面重點(diǎn)描述動態(tài)濾波電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

2 方案確定

2.1 開關(guān)電容跟蹤濾波器

用一個開關(guān)切換來逐個地接通N個低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對各個固定頻率的濾波[5]。

1)原理

如果用一個開關(guān)來逐個地接通N個低通濾波器，如圖2(a)所示，就可組成一個帶通濾波器，其帶寬為BW= 1/πNRaCa。調(diào)節(jié)Ra值和選擇適當(dāng)N或C值，可使濾波特性很窄。每個電容被周期地選入，選入時間是 1/Nfk，其中N是開關(guān)擲數(shù)，是開發(fā)頻率fk。當(dāng)輸入頻率fi和開關(guān)頻率或開關(guān)頻率的諧波相等時，則每個周期接入每個電容正好是在輸入波的同一位置上，于是電容被充電到輸入電壓值，結(jié)果輸出是一個類似于輸入的階梯波，如圖2(b)所示。如果輸入頻率高于或低于開關(guān)頻率fk，則電容選入時是處于輸入波的不定位置，這時電容上的平均電壓會降得很低。在V。/Vi=0.707時形成帶寬BW。

圖2 開關(guān)電容跟蹤濾波器結(jié)構(gòu)與波形

2)優(yōu)缺點(diǎn)

該方案的優(yōu)點(diǎn)是頻率范圍較寬，帶寬可以做的很窄，溫度性能好，而且可以通過改變開關(guān)切換的頻率，來改變通帶的中心頻率。缺點(diǎn)是如果要實(shí)現(xiàn)掃頻功能，需要提供的輸入頻率太多；同時模擬開關(guān)來回高頻率切換帶來的尖峰，會影響中心頻率的準(zhǔn)確性。

2.2 半集成度跟蹤濾波器

以MF10為核心的動態(tài)濾波器，根據(jù)設(shè)計原理，只需確定輸入時鐘，既可確定中心頻率。

1)原理

隨著MOS工藝的迅速發(fā)展，由MOS開關(guān)電容和運(yùn)放組成的開關(guān)電容濾波器已實(shí)現(xiàn)了單片集成化。半集成度濾波器的基本電路是一個如圖3(a)所示的積分器，只不過其中的一個電阻R用高速開關(guān)T1、T2和C1等效而取代了。開關(guān)T1、T2由兩個反相的脈沖CLK1、CLK2驅(qū)動。當(dāng)CLK1為高電平CLK2為低電平時, 開關(guān)T1導(dǎo)通、T2截止,電容由輸人信號vi充得的電荷量為C1×vi。當(dāng)CLK1為低電平CLK2為高電平時，開關(guān)T1截止，T2導(dǎo)通，C1上的電荷傳遞到C2上去,一個周期Tc驅(qū)動信號相當(dāng)vi通過一個等效電阻Req進(jìn)行充電，Tc驅(qū)動信號如圖3(b)所示，Req的大小為：

圖3 開關(guān)電容跟蹤濾波器結(jié)構(gòu)與波形

2)優(yōu)缺點(diǎn)

該濾波器雖然具有低通、帶通、高通、陷波和全通五種濾波模式，無需外接器件，只需根據(jù)需求，確定輸入時鐘頻率，進(jìn)而決定濾波器的中心頻率。但缺點(diǎn)是該電路中C2與C1的比值隨溫度變化時很難固定，導(dǎo)致濾波電路的中心頻率不穩(wěn)定，同時濾波質(zhì)量無法調(diào)整，逐點(diǎn)控制需要耗費(fèi)大量的資源。

2.3 全集成化跟蹤濾波器

以MAX263為核心的動態(tài)濾波器，可以根據(jù)工作頻率和工作模式來確定中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，實(shí)現(xiàn)中心頻率為0.4Hz～40kHz頻率范圍內(nèi)的高通、低通、帶通等五種濾波方式。其中，工作頻率由可以由系統(tǒng)產(chǎn)生，工作模式可以由系統(tǒng)2根I/O線(M0和M1)來實(shí)現(xiàn)。在確定工作頻率和工作模式后，中心頻率由5根I/O線(F0～F4)來控制選擇，可做到32選1；品質(zhì)因數(shù)由7根I/O線(A0～A6)來控制選擇，實(shí)現(xiàn)128選1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該芯片具有動態(tài)濾波的功能，確定一個工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)32個相鄰中心頻率的濾波，并且可以控制品質(zhì)因數(shù)。該芯片擴(kuò)展性強(qiáng)，外圍簡單，實(shí)現(xiàn)方便。

圖4 MAX263芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 電路設(shè)計

3.1 特性分析

根據(jù)設(shè)計需求和芯片MAX263特性，確定方案的工作模式，參見圖5。工作模式與工作頻率的關(guān)系如圖5(a)所示。

3.2 參數(shù)確定

由于井間中心頻率范圍是0～10kHz，針對MAX263芯片而言，在圖5(b)中，根據(jù)公式fclk/fo=π(N+32)，當(dāng)N在0～31范圍內(nèi)變化，fclk/fo變化范圍為100.53～197.92；在圖5(c)中，根據(jù)公式Q=64/(128-N)當(dāng)N在0～127范圍內(nèi)變化時，Q變化范圍為0.5～64。根據(jù)MAX263特性以及帶通濾波的設(shè)計要求，以中心頻率為16Hz、128Hz與512Hz為例，對參數(shù)設(shè)計進(jìn)行說明。工作模式采用模式1，Q值選8，對應(yīng)的N值為120，此時Q0=Q1=Q2=’0’，Q3=Q4=Q5=Q6=’1’。此時帶多路反饋帶通濾波電路模型如圖6所示。

同時，根據(jù)芯片資料各階帶通濾波多路反饋電路參數(shù)表確定各反饋電阻。

設(shè)置四階巴特沃斯帶通濾波模式，確定相關(guān)參數(shù)。

由于Q=fo/BW，Q=QF=8，當(dāng)fo=16 Hz時，BW=2；當(dāng)fo=128 Hz時，BW=16；當(dāng)fo=512 Hz時，BW=64。

根據(jù)圖5(d)可以查得KQ=1.4142，QR=QF×KQ=8×1.4142=11.31，K0=2，K2=4。

選RF=1000Ω，R2=K2RF(QR/2)2=4×1000×(11.311/2)2=127.92kΩ；

R0設(shè)置總增益，R0=K0RF(QR/2)2/A=2×1000×(11.311/2)2/1=63.96kΩ；

圖5 MAX263工作模式

圖6 MAX263芯片外部四階反饋電路模型

根據(jù)圖5(b)，確定在模式1下，設(shè)置fclk/fo=100.53，此時M0=M1=0，F(xiàn)0=F1=F2=F3=F4=N=’0’。

當(dāng)fo=16 Hz時，fclk=1.6kHz；當(dāng)fo=128 Hz時，fclk=12.8kHz；當(dāng)fo=512 Hz時，fclk=51.2kHz；

當(dāng)然，在給定fclk時，通過改變F0～F4的值來改變fclk/fo的比值，來實(shí)現(xiàn)32個相鄰的中心頻率，如果再通過M0與M1改變成另一種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)另外32種中心頻率。

4 電路實(shí)現(xiàn)與測試

4.1 電路結(jié)構(gòu)

整個預(yù)處理電路前置放大電路采用深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)，前級采用差分輸入，次級差分輸入單端輸出。結(jié)合多路反饋跟蹤濾波器電路實(shí)現(xiàn)了井間測井儀預(yù)處理電路[6]，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.2 電路測試

準(zhǔn)備電源、信號源(兩臺)、示波器以及萬用表等測試設(shè)備，其中信號源提供輸入時鐘頻率fclk和待測輸入信號。

當(dāng)輸入時鐘頻率fclk為1.6kHz、工作電壓幅度為5V；待測輸入信號頻率fo為16Hz，輸入電壓幅度為100mV時，測試輸出信號vo=200mV。調(diào)整輸入信號頻率與輸入時鐘頻率，當(dāng)頻率在f0兩側(cè)改變時，輸出信號幅度明顯減小，具體數(shù)據(jù)見表1，輸出信號幅度隨工作頻率的變化如圖8所示。

當(dāng)待測輸入信號頻率fo為128Hz或?yàn)?12Hz時，調(diào)整相應(yīng)的工作頻率fclk測試對應(yīng)幅頻響應(yīng)曲線，效果與圖8所示相近，不再描述。

圖7 井間預(yù)處理電路原理框圖

fo/Hz467891011121313.514vo/mV30527095118140170190198200201fo/Hz14.515151515.5161717171718vo/mV202201200201202200201200201202201fo/Hz18.51919.520212223242628vo/mV20019619017014111996725032

圖8 預(yù)處理電路跟蹤濾波電路幅頻響應(yīng)圖

5 結(jié)束語

集成化跟蹤濾波器結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，以較小的資源快速實(shí)現(xiàn)多個中心頻率的濾波掃描，并實(shí)現(xiàn)較高濾波質(zhì)量控制。實(shí)際測試性能穩(wěn)定可靠，掃頻效果明顯，對于井間測井儀的電路系統(tǒng)的應(yīng)用有一定的參考價值。

[1] 栗建軍．井問電磁測井原理、方法及套管對井問電磁測井影響規(guī)律的研究[D].博士學(xué)位論文，中國海洋大學(xué)，2004.

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Design and Implementation of Dynamic Filtering Circuit for the Crosshole Logging Tool

LIU Xiao1,2, WANG Jun2, ZOU Huabao2， ZHANG Peijun2, YANG Wen2

(1.Xi′anShiyouUniversity,Xi′an,Shaanxi710065,China;2.ChinaPetroleumLoggingCO.Ltd,Xi′an，Shaanxi710077,China)

The crosshole logging tool chooses different working frequency according to different formation, and the circuit system synchronously adjusts the pretreatment circuit gain ratio and the center frequency of filtering circuit.In order to achive the band pass filter center frequency real-time adjustment, it is determined to design on the basis of the MAX263 filter chip by comparing several schemes. The design and implementation of dynamic filter circuit are emphatcally, which has higher reference value for the design of general pretreatment circuit of the electrical logging instrument.

crosshole logging tool; dynamic filtering; bandpass filtering

劉 梟，女，1982年生，工程師，碩士，從事機(jī)械、電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)工作。E-mail：lxlh1415@163.com

TE28

A

2096-0077(2016)06-0034-05

2016-07-21 編輯：馬小芳)