隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀模擬接收電路設(shè)計(jì)

中海油服油田技術(shù)事業(yè)部 李國(guó)玉

電子科技大學(xué) 管國(guó)云

中海油服油田技術(shù)事業(yè)部 馬明學(xué)

1.引言

地層電阻率是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井和油田地層評(píng)價(jià)必需的重要地質(zhì)參數(shù)[1]。在隨鉆測(cè)井領(lǐng)域，隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器是隨鉆測(cè)井儀器中的重要裝置，其采用電磁波工作方式，適用于各種導(dǎo)電和不導(dǎo)電類型的鉆井液，能夠測(cè)量地層隨著深度變化的視電阻率曲線。研制隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀對(duì)于我國(guó)油氣的勘探開發(fā)工作具有重要的意義，在該儀器的電子系統(tǒng)中，模擬接收電路決定了整個(gè)電路信號(hào)的精度，對(duì)信號(hào)的后續(xù)處理起著先導(dǎo)性作用。

2.測(cè)控電路系統(tǒng)

隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀采用對(duì)稱四個(gè)發(fā)射線圈，兩個(gè)接收線圈的天線結(jié)構(gòu)，并采用2MHz和400KHz信號(hào)測(cè)量地層電阻率。測(cè)控電路是隨鉆電阻率測(cè)井儀電路系統(tǒng)的核心部分，用于接收隨鉆系統(tǒng)中控電路指令，控制儀器工作狀態(tài)；產(chǎn)生發(fā)射、混頻信號(hào)；接收并采集、處理接收線圈信號(hào)，并最終獲得與地層介質(zhì)電阻率相關(guān)的相位差和幅度比信息。

隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀測(cè)控電路系統(tǒng)的整體方案框如圖1所示，其利用DDS作為信號(hào)源，以保證發(fā)射信號(hào)和本振信號(hào)擁有足夠的穩(wěn)定度，來自接收線圈的2路信號(hào)，被電路經(jīng)過超外差的方式接收并處理后，送至ADC進(jìn)行數(shù)字量化。DSP處理器控制2個(gè)ADC完成兩路中頻信號(hào)的采集，ADC采集所需的同步時(shí)鐘由DDS或者DSP的PWM模塊提供。DSP在ADC完成采集后，從SPI串行總線讀取數(shù)據(jù)，利用DPSD算法完成信號(hào)處理，獲取各線圈信號(hào)的實(shí)部與虛部。在完成一個(gè)測(cè)量周期后，綜合收、發(fā)組合得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出隨鉆電阻率測(cè)井所需的幅度比與相位差信息，并將測(cè)量結(jié)果及時(shí)傳送至主控板。

模擬接收電路主要指前置低噪聲放大電路，混頻、濾波電路，可編程放大電路，低通濾波電路組成，標(biāo)示于圖1的橢圓形框中。接收電路首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，在放大到足夠的幅度之后，利用混頻器將高頻信號(hào)（2MHz或者400KHz）轉(zhuǎn)換成6KHz的中頻信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器濾除不必要的頻率成分，最后經(jīng)過放大濾波后送至ADC進(jìn)行數(shù)字量化。

3.模擬接收電路設(shè)計(jì)

3.1 前置低噪聲放大電路

低噪聲放大器的目的是將接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，為后級(jí)混頻器提供射頻輸入信號(hào)，低噪聲放大器要求較低的噪聲輸出。信號(hào)頻率為400KHz和2MHz，采用運(yùn)算放大器放大即可。

運(yùn)放放大器電路主要由運(yùn)放以及電阻構(gòu)成。放大器自身產(chǎn)生的噪聲包括兩部分：一部分是運(yùn)放的固有噪聲，包括電壓噪聲和電流噪聲；另一部分是電阻的熱噪聲。為了降低放大電路本身的噪聲，應(yīng)選用固有噪聲較低的運(yùn)放，同時(shí)要進(jìn)行低阻化設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)放AD829S具有較高的帶寬，在放大倍數(shù)100倍時(shí)，能達(dá)到7.5MHz的-3dB帶寬。以AD829S為基礎(chǔ)采用同相放大電路[2]，如圖2所示。

同相放大器的輸入阻抗較高，在反饋電阻上并聯(lián)電容可以構(gòu)成一個(gè)一階的低通濾波器，降低放大器的帶寬，有利于提高噪聲性能，且噪聲分析滿足要求。若要更高的增益，可以采用多級(jí)放大的方式。

3.2 混頻電路設(shè)計(jì)

由于電路存在著兩個(gè)工作頻率，為了方便統(tǒng)一處理，本設(shè)計(jì)采用超外差方式，即將輸入信號(hào)下混頻至一個(gè)頻率較低的中頻6KHz再進(jìn)行處理。

本設(shè)計(jì)采用的SA612A是一款廉價(jià)的基于吉伯特單元的混頻器，具有較低的噪聲系數(shù)，較高的靈敏度和變頻增益。

圖1 測(cè)控電路整體方案

圖2 同相放大器構(gòu)成的低噪放大電路

圖3 混頻器電路

圖4 兩種濾波電路仿真模型

圖3為本設(shè)計(jì)中的混頻器電路，由圖可知，U1的1，2腳作為射頻信號(hào)的輸入端，可以作為差分輸入，可以用作單端輸入。為了簡(jiǎn)單起見，本設(shè)計(jì)中采用單端輸入方式。可以在SA612的6，7外加電容構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器產(chǎn)生本振信號(hào)，但是這種方式的頻率穩(wěn)定度差。這里采用外加本振信號(hào)的方式，本振信號(hào)經(jīng)SA612的6腳緩沖至吉伯特混頻單元。

圖5 兩種濾波電路仿真結(jié)果

圖6 利用運(yùn)放和模擬開關(guān)構(gòu)成的PGA

圖7 高階低通濾波器與帶通濾波器幅頻和相頻特性

在這里，中頻為6KHz，頻率并不高，要實(shí)現(xiàn)6KHz左右的截止頻率，使用上面任一種濾波器結(jié)構(gòu)都是可以的。不需要的高頻成分除了本振泄露出來的394KHz與1.994MHz外，還有射頻與本振相加的頻率成分，即794KHz和3.994MHz。圖4為兩種濾波器構(gòu)成的巴特沃茲低通濾波器仿真電路模型，兩個(gè)電路的截止頻率都為10KHz。

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，薩倫-基濾波電路的阻帶特性并不好。為了獲得更好的濾波效果。本方案選擇多反饋濾波電路結(jié)構(gòu)。

3.3 可編程放大器設(shè)計(jì)

為了調(diào)整輸入信號(hào)的電平，以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求，電路中增設(shè)一級(jí)可編程放大器。本設(shè)計(jì)采用運(yùn)放和模擬開關(guān)以及精密電阻的組合構(gòu)成可編程放大器，其靈活性較大，可以根據(jù)實(shí)際情況制定出所需要的增益，從而制作出性能優(yōu)良的可編程放大器。圖6是利用運(yùn)放和模擬開關(guān)構(gòu)成的PGA，這種方案的噪聲性能比集成的PGA要好。通過控制P1，P2，P3，P4的電平高低，就可以產(chǎn)生1，10，100，1000的增益，控制簡(jiǎn)單。如果需要其他增益，只需要改外圍電阻值即可。由于模擬開關(guān)ADG412的導(dǎo)通電阻是串聯(lián)在運(yùn)放的反相輸入端，所以可以忽略模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，不影響放大器的增益精度。

3.4 抗混疊濾波器

若fs為采樣頻率，當(dāng)信號(hào)中出現(xiàn)高于fs/2頻率的信號(hào)時(shí)，采樣出來的信號(hào)頻率是原信號(hào)以fs/2為中心的鏡像[3]。為了避免這種現(xiàn)象，必須保證信號(hào)中沒有更高的頻率成份。系統(tǒng)的中頻為6KHz，經(jīng)過混頻器低通濾波之后，高頻分量雖被衰減，但經(jīng)過后級(jí)放大，高頻分量會(huì)有一定程度的上升，同時(shí)放大器本身的非線性也可以產(chǎn)生高次諧波。本測(cè)控電路ADC的采樣頻率設(shè)定為24KHz，信號(hào)中若存在18KHz的信號(hào)，則經(jīng)過AD采樣過后18KHz信號(hào)混疊至6KHz的中頻上，將影響信號(hào)處理的性能。所以需要在AD采樣前先濾除這些分量。

這里可以采用高通和低通濾波兩種方式，圖7為兩個(gè)7階低通與帶通濾波器幅頻和相頻特性。隨著濾波器階數(shù)的提高，相頻特性越陡峭，特別是高階的帶通濾波器，帶內(nèi)的相位突變是比較大的。陡峭的相位特性使得在電路在參數(shù)發(fā)生細(xì)微變化時(shí)，也能產(chǎn)生較大的相位誤差。故本方案采用的7階低通濾波電路。

4.結(jié)束語

模擬接收電路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)隨鉆電阻率測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集精度的關(guān)鍵。整個(gè)設(shè)計(jì)包含了微弱信號(hào)的低噪聲放大，混頻濾波，程控放大以及抗混疊濾波電路，該設(shè)計(jì)配合數(shù)字信號(hào)處理采集系統(tǒng)，可以滿足隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀的技術(shù)要求。

本設(shè)計(jì)方案根據(jù)信號(hào)處理的要求，結(jié)合經(jīng)典電路設(shè)計(jì)，選擇合適器件，再經(jīng)過電路試驗(yàn)仿真，得到了適合的模擬接收電路系統(tǒng)，并給出了電路設(shè)計(jì)的依據(jù)，可為相關(guān)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]蘇義腦,竇修榮.隨鉆測(cè)量、隨鉆測(cè)井與錄井工具[J].石油鉆采工藝,2005,27(1):74-78.

[2]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版,2003.

[3]沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術(shù)[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1990.