用于雙側向測井儀的信號濾波電路設計

王永濤，王書純，朱珺，邵春

（1.中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北武漢 430074；2.湖北科技職業(yè)學院電信工程學院，湖北武漢 430070；3.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

雙側向測井是地質鉆井檢測中一種常用的電阻率測井方法，其聚焦式電極陣列測得的視電阻率更接近于地層的真電阻率，為分辨出油層、煤層、水層等自然資源提供了重要的依據(jù)[1-3]。高分辨率分層是雙側向測井儀器的重要指標之一[4]，為了提高地層分辨精度，現(xiàn)有研究最多的是井下探頭電極陣列結構，通過多電極結構的變換組合，提高分辨率[5-8]；此外，對信號數(shù)字處理的研究也比較多，但對于采集電路前端模擬信號的處理，尤其信號模擬濾波的研究比較少。文中設計并實現(xiàn)了兩種帶通濾波器電路，用于減少鉆井周圍的噪聲干擾，提高測井儀器的檢測精度。

1 總體設計思路

雙側向測井儀作業(yè)示意圖如圖1 所示，儀器由主控制器、電纜盤、地電極和探頭四部分組成，其中結構最復雜的是探頭。探頭除了內部電路部分外，外表面由9 個環(huán)形導電電極構成，從上到下依次為A2、A1、N、M、A0、M′、N′、A1′、A2′，電極之間用絕緣材料填充隔離[9-11]。雙側向測井儀可以實現(xiàn)深側向和淺側向兩種儀器功能，深側向檢測距離在1 m 以上，可以檢測到鉆井外原始圍巖電阻率；淺側向檢測距離較近，可以檢測鉆井外液體浸沒區(qū)域的電阻率。儀器其他部分功能不予詳述，文中主要介紹測量信號濾波電路的設計和實現(xiàn)。

圖1 雙側向測井儀作業(yè)示意圖

根據(jù)雙側向測井儀的設計要求，兩種儀器同時工作且不能互相干擾，深側向發(fā)射32 Hz 交流信號，信號檢測電路采用帶通濾波器，中心頻率為32 Hz，信號-3 dB 衰減時通帶區(qū)間寬度為5 Hz，信號-60 dB衰減時通帶區(qū)間寬度為40 Hz。淺側向發(fā)射128 Hz交流信號，帶通濾波器電路中心頻率為128 Hz，信號-3 dB 衰減時通帶區(qū)間寬度為10 Hz，信號-60 dB衰減時通帶區(qū)間寬度為60 Hz。文中后續(xù)部分圍繞這個要求，采用兩種方案分別設計電路并實現(xiàn)濾波功能。

2 信號濾波電路設計

2.1 高階巴特沃茲帶通濾波電路設計

根據(jù)雙側向測井儀信號采集濾波目標要求，方案一使用巴特沃茲帶通濾波器，其效果相對于其他類型，通帶區(qū)間內信號響應是平坦的，對于存在頻散效應的地層，只要信號在通帶內，對結果影響很小。采用四級二階巴特沃茲帶通濾波器級聯(lián)，構成八階帶通濾波器來滿足要求，設計框圖如圖2 所示。前端電路中信號源自探頭電極，信號經過變壓器和初步放大后，進入帶通濾波器，篩選調理后分別得到兩種儀器各自的有用信號，再分別進入對應的電壓檢測電路。

圖2 方案一濾波器電路設計框圖

巴特沃茲八階帶通濾波器的核心單元是二階濾波電路，如圖3 所示。濾波電路主要由電阻、電容以及運算放大器構成，設計簡單實用。運算放大器采用HJ086，四運放單片集成剛好可以滿足八階濾波需求；采用全密封陶瓷微封裝特殊工藝設計，工作溫度范圍為-55～+200 ℃，適用于石油鉆井中高溫條件下長期穩(wěn)定工作。200 ℃高溫環(huán)境下，HJ086 轉換速率為13 V/μs，對大小信號都能快速反應，輸入失調電壓典型值為2 mV，且隨溫度變化基本保持不變，便于補償，共模抑制比可達100 dB，這些特性保證了帶通濾波器能在復雜極端環(huán)境下高性能工作。

圖3 二階帶通濾波器電路原理圖

在巴特沃茲二階帶通濾波器電路中，電阻為1%精度200 ℃高溫電阻，電容為5%精度200 ℃高溫電容，以保證濾波電路在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行。表1 列出了電路中的電阻和電容值。為了保持電路一致性和后續(xù)修改的靈活性，每個二階模塊都按照圖3設計，其中A1-A4 是深側向的4 個二階模塊，等效品質因數(shù)Q值分別為16.8、16.8、6.93、6.93；A5-A8 是淺側向的4 個二階模塊，Q值分別為31.9、31.9、13.2、13.2。表1 中A3、A4的R4、R5電阻值N 表示斷路，也就是實際電路中不焊接電阻。同時，由于高溫器件不易購買，為了降低實際電路焊接調試的難度，在設計時不同的二階模塊盡量使用相同值的電阻和電容。

表1 濾波電路電阻電容值

由于巴特沃茲二階帶通濾波器電路中電阻、電容精度的原因，實際電路電壓增益會出現(xiàn)偏差。以深側向32 Hz 信號為例，按照表1 中參數(shù)設計，使用ADI 公司filterwizard 軟件仿真，實際電路電壓增益如如圖4 所示。圖中陰影部分表示可能的增益，在中心頻率處電壓增益0.2～6.5 倍不等（陰影部分中的實線為理論值），這一現(xiàn)象在小批量生產的10 臺儀器實測中也被驗證，即使使用同一批次的原材料，電路焊接后，每臺儀器中心頻率處電壓增益略有不同，為了保證儀器的檢測精度和后續(xù)統(tǒng)一定標，在濾波電路后面加入信號調理電路，校正32 Hz 處電壓增益，將其統(tǒng)一為一倍增益。

圖4 深側向濾波電路電壓增益仿真圖

以上設計的巴特沃茲八階帶通濾波器電路很好地完成了濾波任務。經測試，深側向濾波電路-60 dB衰減阻帶區(qū)間位于17.7 Hz 和57.7 Hz 之外，淺側向濾波電路-60 dB 衰減阻帶區(qū)間位于95.6 Hz和156 Hz之外。兩種電路均把大地中逸散的50 Hz 市電以及其二次、三次諧波壓制到很小的值，濾除了檢測過程的市電強電流干擾[12-14]。

2.2 專用芯片濾波電路設計

根據(jù)雙側向測井儀信號采集目標要求，方案二使用專用芯片為核心電路設計帶通濾波器，設計框圖如圖5 所示?？驁D中前端電路和后端信號調理電路的作用與方案一設計中功能相同，在此不再贅述。專用芯片電路采用LINEAR 公司生產的濾波器芯片LTC1068，這款芯片的濾波中心頻率低至1 Hz，特別適合于低頻地質儀器設備，可以自由設計成低通、高通、帶通濾波器。該方案應用LTC1068 為核心電路設計成八階帶通濾波器，完成雙側向測井儀信號采集設計任務。

圖5 專用芯片濾波器電路設計框圖

LTC1068 濾波電路原理圖如圖6 所示，LTC1068芯片單片集成了4 個二階濾波單元，分別為二階單元A、B、C、D?？紤]到芯片的引腳位置便于電路板布線，把4個二階濾波單元分成兩組，單元A和D為一組，單元B 和C 為另一組，信號從芯片1 腳輸入，從芯片17腳輸出。在LTC1068芯片濾波電路部分，深側向和淺側向硬件電路完全相同，唯一區(qū)別是輸入時鐘FCLK不同。圖6 實現(xiàn)的濾波器中心頻率fC為FCLK 的1/128，-3 dB 通帶 范圍為fC的0.88～1.12 倍，即深側向儀器中心頻率為32 Hz，F(xiàn)CLK為4.096 kHz，-3 dB 通帶范圍為28.16～35.84 Hz；淺側向儀器中心頻率為128 Hz，F(xiàn)CLK 為16.384 kHz，-3 dB 通帶范圍為112.64～143.36 Hz。

圖6 LTC1068濾波電路原理圖

表2 以深側向儀器為例，給出了LTC1068 濾波電路參數(shù)，其中，fC的值為32 Hz。根據(jù)芯片資料，計算并分別列出了4 個二階濾波單元的中心頻率f0、Q值和濾波器類型。

表2 LTC1068濾波電路參數(shù)

同理，淺側向儀器4 個二階濾波單元的中心頻率分別為105.2 Hz、126.8 Hz、111.6 Hz、144.8 Hz，級聯(lián)構成的八階帶通濾波器的中心頻率為128 Hz。

LTC1068 帶通濾波器的fC與輸入時鐘FCLK 呈倍數(shù)關系，F(xiàn)CLK 決定了很多重要參數(shù)。方案二中采用硅振蕩器和FPGA 聯(lián)合電路，實現(xiàn)數(shù)字可編程的精確頻率輸出，從而驅動LTC1068 的FCLK 引腳。硅振蕩器采用芯片LTC6930-4.19，其原理圖如圖7 所示，輸出頻率CLK 由DIVC、DIVB、DIVA 三個控制引腳決定?？刂埔_接到儀器MCU 的IO 口上，根據(jù)輸入信號的變化實時改變帶通濾波器參數(shù)，進而擴充該方案的使用范圍。CLK 輸出范圍為32.768 kHz～4.19 MHz，該方案中3 個控制引腳邏輯默認為“111”，CLK 輸出為32.768 kHz，接入到FPGA 芯片EP4CE22 E22I8LN中[15-16]，經過八分頻后輸出深側向儀器需要的FCLK1 頻率值4.096 kHz，經過二分頻后輸出淺側向儀器需要的FCLK2 頻率值16.384 kHz。

圖7 硅振蕩器LTC6930-4.19原理圖

3 兩種濾波電路對比及應用

前面詳細闡述了兩種濾波方案，一種是巴特沃茲八階帶通濾波器電路，其特點是簡單實用，濾波效果好，可用于深度大于2 000 m 的石油鉆井中；另一種是以專用芯片LTC1068 為核心的帶通濾波器，特點是可編程配置中心頻率，靈活性好，可用于深度小于1 000 m 的煤炭和礦產普查鉆井中。表3 列出了兩種濾波電路詳細性能。

表3 兩種濾波電路性能對比

圖8和圖9是用巴特沃茲八階帶通濾波器分別檢測深側向儀大、小信號的濾波實驗效果圖。圖10 和圖11 是以專用芯片LTC1068 為核心的帶通濾波器分別檢測淺側向儀大、小信號的濾波實驗效果圖。實驗效果圖用示波器觀測所得，四張圖中上半部分顯示的是濾波后的信號，下半部分顯示的是濾波前的信號，從實驗圖中發(fā)現(xiàn)兩種濾波器實際運行效果都較好。

圖8 深側向儀小信號濾波

圖9 深側向儀大信號濾波

圖10 淺側向儀小信號濾波

圖11 淺側向儀大信號濾波

4 結論

文中對雙側向測井儀信號濾波電路進行了研究，設計并實現(xiàn)了兩種濾波器，分別為巴特沃茲八階帶通濾波器和專用芯片LTC1068 帶通濾波器。實驗結果表明，兩種濾波器對深側向儀和淺側向儀的大、小信號都具有很好的濾波效果，電路實用性高，性能穩(wěn)定，可廣泛用于檢測石油鉆井和地質普查鉆井，具有良好的市場應用前景。