隨鉆電阻率AD轉(zhuǎn)換模塊研究

李 穎

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝研究所，黑龍江大慶163000）

1 研究的目的及意義

隨鉆地層電阻率測井儀器正快速成為石油鉆井作業(yè)的主導(dǎo)設(shè)備。電阻率的主控電路中，AD轉(zhuǎn)換模塊由單片機(jī)和AD7008構(gòu)成，用于將接收信號混頻得到一個(gè)6kHz的混頻信號。6kHz的信號提高了信號的精確度，便于下一步的信號處理。提高了儀器的穩(wěn)定性。在信號處理中，經(jīng)常對不同頻率的信號進(jìn)行混頻。隨鉆電阻率中，需要大量使用AD轉(zhuǎn)換模塊，對于AD轉(zhuǎn)換模塊研究對于研制隨鉆電阻率工具具有極其重要的意義。

2 電阻率AD轉(zhuǎn)換模塊電路研究

2.1 AD轉(zhuǎn)換模塊原理

AD7008是ADI采用DDS技術(shù)推出的混頻器。圖1所示為其封裝圖[1]。其內(nèi)部高度集成了常用AD所需要的所有功能，包括與計(jì)算機(jī)進(jìn)行I/O通訊的串口和并口通訊通道，可以通過計(jì)算機(jī)編程等方法進(jìn)行控制的直接混頻系統(tǒng)，以及10位的DAC。使用的時(shí)候，外部電路接上時(shí)鐘控制器，AD7008就可以通過時(shí)鐘控制器，進(jìn)行內(nèi)部編程以及生成包括正弦波信號在內(nèi)的各種信號輸出波形。同時(shí)，還可以對輸出波形進(jìn)行相位和振幅方面的調(diào)制和控制。在對AD7008進(jìn)行編程時(shí)，可以使用計(jì)算機(jī)通過串口或并口進(jìn)行I/O通訊，芯片能兼容八位或十六位的并口通訊。數(shù)字信號輸出的最小分辨率為0.48Hz，此時(shí)的外接時(shí)鐘信號為20MHz。AD7008采用的是CMOS技術(shù)，使用時(shí)可以全部功能開啟，在不使用時(shí)，可以設(shè)置為休眠模式，從而降低功耗。它的封裝為PLCC形式，輸入的供電電壓為5V，最大輸出信號的電流可達(dá)20mA。

圖1 AD7008封裝圖

AD7008外接的時(shí)鐘振蕩器頻率最高可為49.98MHz，精度達(dá)到億分之一級。通過計(jì)算機(jī)端進(jìn)行編程和調(diào)制之后，芯片的每一個(gè)管腳都可以達(dá)到在最低和最高頻率之間進(jìn)行選擇并輸出所需要的數(shù)字信號。

AD7008內(nèi)部功能分為3個(gè)模塊，它的內(nèi)部邏輯框圖見圖2。第一個(gè)模塊是數(shù)字合成系統(tǒng)，這部分可以通過寄存器進(jìn)行編程和調(diào)制，數(shù)字混頻系統(tǒng)由32位相位累加器、余弦/正弦表和D/A轉(zhuǎn)換器組成。第二模塊功能為接收計(jì)算機(jī)傳輸?shù)木幊讨噶?，并將指令發(fā)送給具有調(diào)制功能的寄存器。第三模塊功能是對串口以及并口進(jìn)行I/O通訊的定義以及編譯，實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)通過串、并口通訊。

圖2 AD7008內(nèi)部邏輯框圖

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊在電阻率主控電路板上的電路研究

電阻率主控電路板控制電阻率發(fā)射模塊發(fā)射2組信號，分別為400kHz和2MHz，這2個(gè)信號由AD控制器產(chǎn)生，如圖3所示。通過數(shù)字合成系統(tǒng)，將總線芯片發(fā)來的調(diào)制信號和原信號進(jìn)行直接混頻、濾波后，發(fā)送到放大器，最終由發(fā)射天線發(fā)射出去。在這其中，總線發(fā)來的時(shí)鐘信號為12.288MHz。AD控制器的性能好壞直接決定了混頻信號的性能，而混頻信號的性能又直接影響了最終地層電阻率的測量結(jié)果。所以AD轉(zhuǎn)換模塊在電阻率數(shù)字信號調(diào)制的過程中至關(guān)重要。

圖3 接收板框圖（AD轉(zhuǎn)換模塊）

MPR電阻率上有1個(gè)接收電路板，上面有2個(gè)接收通道（R1和R2）。它們的外觀和功能都是一樣的，接收發(fā)射天線產(chǎn)生2MHz和400kHz的振蕩信號，并處理成6kHz的信號去主控。接收板的供電方式為電源板供電，需要+12V、-12V和+5V的直流電。主控電路板通過總線和晶振控制接收電路板工作，并保持工作同步。68HC711接到68332的指令開始工作，向NCO傳送數(shù)字命令使其振蕩，通過濾波器后，產(chǎn)生1.994MHz和394kHz的本振信號。接收天線接收到信號，放大后與本振產(chǎn)生的1.994MHz和394kHz信號進(jìn)行混頻，經(jīng)過放大和帶通濾波器后，產(chǎn)生6kHz的信號，然后進(jìn)入主控板的A/D轉(zhuǎn)換器?；祛l后降低信號頻率有助于更加簡單地處理信號。

AD轉(zhuǎn)換模塊由下面元件組成：68HC711微控制器、12.288MHz的時(shí)鐘、AD7008芯片、電源輸出放大器。

輸出的2MHz和400kHz的頻率是由AD7008數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的，AD7008被微控制器68HC711所控制，而68HC711又輪流被68332的主處理器控制。AD7008的輸出被電源輸出器放大。

3 結(jié)論

AD轉(zhuǎn)換模塊可以將原始信號進(jìn)行調(diào)制，轉(zhuǎn)換為所需要的各種數(shù)字信號。其精度高，可控制性強(qiáng)，編程簡單，能完全滿足電阻率發(fā)射信號所需要的各個(gè)參數(shù)的屬性，是電阻率控制電路以及信號產(chǎn)生電路必不可少的功能模塊。

[1]Analog Devices.AD7008數(shù)據(jù)手冊[Z].