油基泥漿電成像測(cè)井儀器微弱電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

張全文，于增輝，張志剛，張延峰

(中海油田服務(wù)股份有限公司 北京 101149)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

油基泥漿電成像測(cè)井儀器微弱電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

張全文，于增輝，張志剛，張延峰

(中海油田服務(wù)股份有限公司 北京 101149)

針對(duì)油基泥漿電成像測(cè)井儀器電流信號(hào)微弱、信號(hào)數(shù)量多、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于CPLD的微弱電流信號(hào)檢測(cè)電路。結(jié)合微弱電流信號(hào)的特點(diǎn)主要討論了低噪聲流壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、放大濾波電路的設(shè)計(jì)及電路噪聲的計(jì)算方法。設(shè)計(jì)中由CPLD實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)序控制，電路最終完成26路信號(hào)有序的采集操作。實(shí)踐表明，該電路能夠穩(wěn)定可靠地工作，達(dá)到了井下儀器信號(hào)采集的要求。

微弱電流檢測(cè)；電流電壓轉(zhuǎn)換；濾波電路；噪聲計(jì)算

0 引 言

測(cè)井技術(shù)依據(jù)電、聲、核、磁等各種物理原理，采用先進(jìn)的電子技術(shù)和信息處理技術(shù)，采集豐富的地下信息，為石油勘探開(kāi)發(fā)提供極為重要的資料。而對(duì)于電法測(cè)井儀器，需要通過(guò)測(cè)量電流、電壓等參數(shù)獲取地層的電阻率信息，從而可以根據(jù)電阻率信息計(jì)算出地層含油飽和度，或者是根據(jù)地層電阻率變化來(lái)呈現(xiàn)地層圖像，豐富地層解釋資料。目前，電法測(cè)井技術(shù)向著探測(cè)器布置的陣列化與集成化、信號(hào)采集高速數(shù)字化、工作頻率和幅度可控化等方向發(fā)展。但是，對(duì)于高電阻率的地層，往往只有納安級(jí)的電流信號(hào)，而對(duì)于低電阻率的地層，具有毫安級(jí)的電流信號(hào)。這種電流信號(hào)弱、動(dòng)態(tài)范圍寬的特點(diǎn)，不利于電法測(cè)井新技術(shù)的應(yīng)用。為有效檢測(cè)這種微弱信號(hào)，本文從多個(gè)方面闡述提高信噪比的方法，實(shí)現(xiàn)陣列化采集多路微弱電流的電路設(shè)計(jì)。

1 電路總體設(shè)計(jì)

微弱電流檢測(cè)電路用于接收動(dòng)態(tài)范圍達(dá)95 dB的頻率為1 MHz的正弦模擬信號(hào)，完成26路電流小信號(hào)的放大、濾波功能，并利用CPLD控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)串口傳送給信號(hào)處理模塊。

微弱電流檢測(cè)電路硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 微弱電流檢測(cè)電路硬件原理框圖

CPLD芯片通過(guò)同步串口接收上位機(jī)的命令。CPLD接收到命令后設(shè)置相應(yīng)的工作狀態(tài)，即內(nèi)測(cè)試或測(cè)井狀態(tài)。電流檢測(cè)電路開(kāi)始進(jìn)入信號(hào)采集階段，該階段中要同時(shí)采集兩路電流信號(hào)，每路電流信號(hào)都要經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)換成電壓，電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)兩路增益放大，即低增益放大和高增益放大，這兩級(jí)增益信號(hào)要在模擬開(kāi)關(guān)的配合下被分時(shí)采集。單片機(jī)控制前端模擬開(kāi)關(guān)，每次選擇兩路信號(hào)，共完成13次開(kāi)關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)26路信號(hào)的采集操作，同時(shí)CPLD會(huì)將每次采集的數(shù)據(jù)以1 Mb/s的速率發(fā)送到上位機(jī)。設(shè)計(jì)中將每路的高、低增益信號(hào)都進(jìn)行了采集，當(dāng)信號(hào)過(guò)小時(shí)，數(shù)據(jù)處理算法可以選用高增益的數(shù)據(jù)，相反，則選擇低增益的數(shù)據(jù)。雖然增加了設(shè)計(jì)的硬件復(fù)雜度，但卻高效率的完成整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)檢測(cè)。由于不同通道的增益電路會(huì)有誤差，設(shè)計(jì)中還可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的刻度信號(hào)，從而完成各個(gè)通道的增益進(jìn)行刻度，使得各個(gè)通道的增益保持一致。

2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

常用的電流轉(zhuǎn)換電壓的方法是直接在被測(cè)電路中串入精密電阻，通過(guò)采集電阻兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單方便。但當(dāng)被測(cè)電流很小，且被測(cè)電路中串入的電阻阻值又較小時(shí)，從電阻上取得的電壓值可能太小，影響轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。而另一種結(jié)合運(yùn)算放大器的電阻反饋法和電容反饋法的流壓轉(zhuǎn)換電路，在轉(zhuǎn)換精度方面有了較大的提高。其中電阻反饋法又分為單電阻反饋法和T型電阻反饋法等。但是T型電阻反饋法電路復(fù)雜，電容反饋法會(huì)因?yàn)樾盘?hào)中含有直流成分易使輸出電壓飽和。本采用結(jié)合運(yùn)算放大器的單電阻反饋法電路實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換。

流壓轉(zhuǎn)換電路的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 流壓轉(zhuǎn)換電路的硬件原理圖

微弱電流信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)流壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)有很高的要求，如果流壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生較大噪聲，該噪聲就會(huì)被后級(jí)放大電路進(jìn)行放大，從而降低信噪比，影響信號(hào)的檢測(cè)。而要減小流壓轉(zhuǎn)換電路的總輸出噪聲，就要減小噪聲增益和運(yùn)算放大器的噪聲。圖2信號(hào)源V1為電壓源，電阻Rt模擬地層電阻，其中電容C1的作用是進(jìn)行相位補(bǔ)償，防止電路自激，同時(shí)起到抑制高頻噪聲的作用，電容C2有抑制低頻噪聲和隔除直流電的作用，R2是反饋電阻，R1是模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的等效電阻。模擬地層電阻Rt遠(yuǎn)大于R1、R2、R3，計(jì)算中可以不考慮。如果沒(méi)有電阻R3，則此時(shí)的流壓轉(zhuǎn)換電路的噪聲增益為GN=1+R2/R1，反饋電阻R2至少為幾k歐姆，由于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻比較小，這樣噪聲增益必然會(huì)很大，不利于信號(hào)的檢測(cè)。當(dāng)在模擬開(kāi)關(guān)的輸入端接入與R2相同級(jí)別阻值的R3電阻，此時(shí)電路的噪聲增益為GN=1+R2/(R1+R3)，這樣就極大的降低了電路噪聲增益。經(jīng)過(guò)軟件仿真和實(shí)際電路驗(yàn)證，電阻R3的作用的確降低了電路噪聲，從而影響信號(hào)的檢測(cè)。并且，選擇合適的電容C2和C1，可以使電路具有較小的信號(hào)帶寬，有利于噪聲的抑制。同時(shí)，設(shè)計(jì)中選用于流壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器為L(zhǎng)T1128芯片，該芯片具有適合于流壓轉(zhuǎn)換的三個(gè)特性：即有較小的輸入偏置電流、輸入偏置電壓以及噪聲。對(duì)于噪聲特性會(huì)在噪聲計(jì)算部分進(jìn)行詳細(xì)討論。

3 放大與濾波電路設(shè)計(jì)

濾波器的作用是從各種頻率成分的模擬信號(hào)中，只允許必要的信號(hào)通過(guò)，而將不需要的信號(hào)濾除，從而達(dá)到抑制干擾的目的[1]。本文設(shè)計(jì)了兩級(jí)增益放大濾波電路，每一級(jí)放大電路都是一個(gè)帶通濾波電路。其中，低增益放大電路與高增益放大電路結(jié)構(gòu)不完全一樣，低增益放大電路多了一個(gè)反饋電阻，目的是設(shè)計(jì)合適的帶寬，有利于后級(jí)高增益放大電路的設(shè)計(jì)。

放大與濾波電路的原理圖如圖3所示。

圖3 放大與濾波電路原理圖

其中運(yùn)算放大器U1A、U1B選用的是OPA2211。U1A的輸出為低增益輸出，放大倍數(shù)為1倍，U1B的輸出為高增益輸出，放大倍數(shù)為100倍。U1A、U1B的外圍電路都分別構(gòu)成二階有源帶通濾波器[2]。

低增益放大電路的系統(tǒng)函數(shù)為：

(1)

高增益放大電路的系統(tǒng)函數(shù)為：

(2)

在濾波器理論中，常將二階帶通濾波系統(tǒng)函數(shù)表示成如下形式[3]：

(3)

以高增益放大濾波電路為例，該電路的中心頻率f0，品質(zhì)因數(shù)Q，帶寬BW，放大增益G的計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)式(4)～式(7)，設(shè)計(jì)中，先是大致確定電阻值，使其滿足電路的增益關(guān)系，調(diào)節(jié)電容值，使其滿足電路的中心頻率，然后再微調(diào)電阻和電容值，使其滿足電路帶寬和品質(zhì)因數(shù)等要求。由于電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，所以設(shè)計(jì)中選用阻值盡量小的電阻，減少對(duì)信號(hào)的干擾。

4 噪聲計(jì)算

電流電壓轉(zhuǎn)換電路選用運(yùn)算放大器LT1128實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)LT1128的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，該芯片的電流噪聲密度In1、電壓噪聲密度en1。流壓轉(zhuǎn)換電路的輸出噪聲主要由五部分構(gòu)成，即電壓噪聲密度en1、電流噪聲密度In1、電阻R1的熱噪聲e1、電阻R2的熱噪聲e2、電阻R3的熱噪聲e3。設(shè)計(jì)的流壓轉(zhuǎn)換電路信號(hào)帶寬B1=6.8 kHz，，噪聲增益GN=1.5，則流壓轉(zhuǎn)換電路的輸出噪聲et1為：

(8)

低增益放大濾波電路的運(yùn)算放大器選用的是OPA2211芯片，根據(jù)LT1128的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知該芯片的電壓噪聲密度en2、電流的噪聲密度In2。噪聲增益為1，信號(hào)帶寬B2=6.62 kHz。而低增益放大濾波電路的輸出噪聲[4]由六部分構(gòu)成，即則流壓轉(zhuǎn)換電路的輸出噪聲et1，電壓噪聲密度en2、電流噪聲密度In2、電阻R4的熱噪聲e4、電阻R5的熱噪聲e5、電阻R6的熱噪聲e6。低增益放大濾波電路的輸出噪聲et2為：

(9)

而高增益放大濾波電路的噪聲增益為100，信號(hào)帶寬B3=1.53 kHz，同理，可得高增益放大濾波電路的輸出噪聲et3=0.55mV

根據(jù)式(8)、(9)可知，電路的噪聲增益對(duì)輸出噪聲的影響非常明顯。例如，流壓轉(zhuǎn)換電路中的電阻R3為10 Ω，則流壓轉(zhuǎn)換電路的噪聲增益就會(huì)增加很大，電路的輸出噪聲就會(huì)明顯提高。同時(shí)，設(shè)計(jì)中還盡量減小電路的信號(hào)帶寬，選用較小的電阻值等，以減弱電路中的噪聲。

5 測(cè)試結(jié)果分析

除了上述討論的減小噪聲，提高信噪比的各種措施以外，降低電源噪聲，也是不可忽視的手段。其中，不僅在電源的設(shè)計(jì)中，要盡量減小噪聲，還要注意電源的傳輸過(guò)程中引起的噪聲。同時(shí)，要減少模擬信號(hào)的傳輸路徑，盡可能的把模擬信號(hào)數(shù)字化，從而減少模擬信號(hào)被干擾的途徑。電路沒(méi)有優(yōu)化時(shí)，且沒(méi)有加入輸入信號(hào)時(shí)采集的噪聲數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中數(shù)據(jù)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化結(jié)果。綜合各種減小噪聲因素，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化后采集的噪聲數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 電路優(yōu)化前采集的噪聲

表2 電路優(yōu)化后采集的噪聲

同時(shí)，模擬地層電阻R在10 kΩ～100 MΩ范圍內(nèi)線性變化時(shí)，電路可以檢測(cè)到表3所示的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化結(jié)果。將模擬地層的電阻R和電流數(shù)據(jù)I進(jìn)行取對(duì)數(shù)，縮小數(shù)據(jù)范圍后，可以得到檢測(cè)電流與模擬電阻的關(guān)系圖，得到擬合直線與原始數(shù)據(jù)幾乎重合，設(shè)計(jì)的電路可以在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有良好的線性特性。

表3 模擬地層電阻與電流數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)油基泥漿電成像測(cè)井儀器的信號(hào)檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種基于CPLD的微弱電流信號(hào)檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路可以實(shí)現(xiàn)多路微弱、大動(dòng)態(tài)范圍的電流信號(hào)的檢測(cè)。并且該電路可以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作，通過(guò)了油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)驗(yàn)，滿足實(shí)際作業(yè)的要求。

[1] 彭 軍. 運(yùn)算放大器及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008:45-46.

[2] 賽爾吉?dú)W·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].劉樹(shù)棠，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2010:30-32.

[3] 鄭君里. 信號(hào)與系統(tǒng)(第二版,上冊(cè))[M].北京:高等教育出版社,2000:55-57.

[4] 王林濤.低噪聲光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)和噪聲估算[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(1)：32-34.

Design of the Weak Current Signal Detection Circuit for Oil-base Mud Electric Imaging Logging Tools

ZHANG Quanwen， YU Zenghui， ZHANG Zhigang， ZHANG Yanfeng

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing，101149，China)

The weak current signal detection circuit is designed based on CPLD with view to the problems of weak and wide dynamic range of the current signals for oil-base mud electric imaging logging tool. Combining the characteristics of a weak current signal flow, the design of low-noise voltage converter circuit, amplifying filtering circuit and the calculation method of circuit noise are mainly discussed. The timing control of analog-digital conversion circuit is realized by CPLD, the circuit ultimately completes the orderly operation of 26-channel signals acquisition. The practice shows that the circuit can work stably and reliably, meet the requirements of downhole instrument signal acquisition.

weak current detection; current-voltage conversion; filter circuit; noise calculation

大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)科技重大專項(xiàng)(三維聲波、油基泥漿電成像、二維核磁成像測(cè)井技術(shù)與裝備 編號(hào)：2011ZX05020-005)

張全文，男， 1982年生，工程師，2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)(成都)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事電法測(cè)井儀器設(shè)計(jì)與維修工作。E-mail：zhangqw7@cosl.com.cn

P631.8+

A

2096-0077(2017)01-0029-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.007

2016-06-07 編輯：高紅霞)