基于CPLD的微電阻率掃描成像測井儀極板檢測系統的設計

孫飛艇 黨瑞榮 肖宏 孫迪 于瑞

【摘要】極板作為微電阻率掃描成像測井儀（MCI，Micro Conductivity Imager）的重要組成部分，其性能直接影響微電阻率掃描成像測井儀的清晰度和分辨率。針對這一問題，本文設計了基于CPLD的MCI測井儀的極板信號檢測系統。首先通過Quartus II軟件對所選取的CPLD進行軟件設計及仿真，然后通過硬件電路的設計與制作，實現了極板檢測系統，并利用該系統對MCI測井儀的極板進行了實際檢測和試驗，證明了該極板檢測系統能用于MCI儀器的極板檢測，實現了MCI測井儀極板檢測工具的小型化和高效化。

【關鍵詞】微電阻率掃描成像;極板檢測系統;可編程邏輯器件;Quartus II

引言

微電阻率掃描成像（MCI， Micro Conduct-ivity Imager）是一種電阻率測井儀，主要用于測量地層的非均質信息，在地層的精細結構描述、薄層劃分、裂縫識別、沉積相分析等方面具有獨特的應用效果。微電阻率掃描成像的井下儀器主要由極板內置電路、預處理短節、數據采集短節、電纜遙傳短節組成，圖1顯示微電阻率成像儀器的組成[1]。每支MCI測井儀上有六個極板，每個極板上有24個分布規律的電扣。測井時，電扣與井壁接觸，用于直接采集地層的電流。極板內腔置有極板電路板，電扣信號經過極板電路板的放大處理后，通過一個7芯微插件引入儀器腔[2]。極板是微電阻率掃描成像測井儀井下最關鍵的部分，它的好壞影響微電阻率掃描成像測井儀的清晰度和分辨率。因此，在MCI測井儀的實際生產和維修中，對極板的檢測就顯得尤其重要。極板檢測包括檢測極板電扣的一致性和檢測極板的低噪聲輸出，通過檢測這兩方面的情況，對當前極板的性能做出判斷。進行極板檢測的時候，需要為極板電路板提供信號源和極板時序控制信號。

圖1 微電阻率成像儀器的組成

圖2 MCI測井儀一塊極板內置電路原理圖

本文基于CPLD設計了一套適用于MCI測井儀的極板信號檢測系統，首先通過Quartus II軟件對所選取的CPLD進行仿真，然后通過硬件電路的設計與制作，實現了極板檢測系統，并利用該系統通過對MCI儀器極板的實際檢測和實驗，證明了該極板檢測系統能用于MCI測井儀的極板檢測。

1.MCI極板模型

微電阻率成像測井儀的推靠器短節裝有六個極板，每個極板有24個電扣，共144個電扣。每塊極板裝有內置電路，每個電扣電流信號在極板內經過采樣放大、模擬開關后傳到預處理短節，圖2為MCI測井儀一塊極板內置電路的原理圖。一個極板體有24個電扣，采用3個八選一模擬開關分時輸出每個電扣信號，再用1個八選一模擬開關將前3個八選一模擬開關的信號分時輸出[3]。每個電扣信號的放大倍數為2萬倍。時鐘信號和復位信號都來自MCI測井儀的預處理短節，正弦波由采集短節提供。復位信號RST的作用是對極板內置多路選一電路進行復位，目的是在極板每次通電之后，確保進行采集電扣的位置是固定的第一個電扣;每組時鐘信號CLK共有24道，每道時鐘信號在通過二進制地址編碼器之后，相應對應一道模擬開關的選通地址，從而控制極板電扣信號的傳輸[4]。由于所選的二進制編碼器是串行輸入，因此將復位信號和時鐘信號先通過加法器合成一道信號，然后通過一個比較器依次輸出。

2.極板檢測系統設計

2.1 極板檢測系統輸出信號的設計

極板電路輸出噪聲檢測和極板電扣信號一致性檢測是極板檢測的主要內容，本文通過設計產生極板檢測所需的信號源信號、復位信號和時鐘信號，從而實現對極板的檢測。極板檢測系統與極板的關系如圖3所示。

圖3 極板檢測系統與儀器極板部分的關系

信號源信號是一組10KHz的正弦波，輸出峰值為1V，然后將此信號經過模擬地層電阻后從電扣輸入，以此作為信號檢測的對象[5]。復位信號與時鐘信號在時序上有固定的對應關系，為了使得它們嚴格的時序對齊，本文采用了基于CPLD的電路來產生所需的信號，對應關系如圖4所示（未經過加法器），其中，復位信號的脈寬為400us，周期為30ms;時鐘信號的脈寬為200us。為了減小模擬開關切換的時候對小信號的影響，設定時鐘信號的占空比較小。

圖4 極板檢測系統與儀器極板部分的關系

2.2 極板檢測系統的硬件設計

根據極板檢測系統所要提供的10KHz的正弦波、復位信號、時鐘信號以及復位信號和時鐘信號的對應關系，本文設計了基于可編程邏輯器件EPM7064所設計的電路，產生上述三個信號，其電路原理框圖如圖5所示。

由圖5可以看到EPM7064輸出10KHz的方波、復位信號RST和時鐘信號CLK，外部為其提供2.56M的晶振和電源提供的±5V的直流電壓。復位信號和時鐘信號都是數字信號，所以這里采用數字驅動器件CD4050BF為這兩個信號增加負載能力，然后將這兩道信號通過一個加法電路合成一道信號作為輸出。由EPM7064輸出的10KHz方波先經過中心頻率為10KHz、品質因數為10的帶通濾波電路;考慮到由濾波電路輸出的10KHz正弦波是模擬信號，為增加其負載能力，將該信號經過一個由運放HA5104搭成的跟隨電路，然后再把10KHz的正弦波輸出。

圖5 極板檢測系統的原理框圖

2.3 極板檢測系統的軟件設計

本文所介紹的極板信號檢測系統的軟件方面是利用Altera公司所開發的Quartus II軟件對所選的EPM7064可編程邏輯器件進行模擬仿真[6]。在設計過程中，采用了模塊化設計的方法，包括對已有的計數器模塊的使用，同時使用VHDL語言編寫了所需的分頻程序等，并將其生成相應的模塊，最后將所有的模塊連接起來進行仿真，并通過Quartus II軟件里的波形文件進行波形仿真[7]。波形仿真的結果如圖6所示，第0道為復位信號，第1道為時鐘信號，第2道為10KHz的方波，圖6中虛線區間的放大波形如圖7所示，由此可見，仿真結果基本符合設計要求。

圖6 波形仿真圖

圖7 波形仿真圖

3.極板信號檢測

極板信號的檢測包括極板電扣信號一致性檢測和極板電路輸出噪聲檢測。其中，極板電扣信號一致性檢測是指儀器極板各個電扣的放大倍數是否為2萬倍，極板電路輸出檢測是指極板整體的低噪聲是否為低于15mv。本文設計的極板檢測系統在實際檢測運用情況如下闡述。在極板電扣信號一致性檢測中，首先介紹一下電阻模擬盒。電阻模擬盒內部有并列的24個電阻，它們的順序有一定規律，其大小分別為100kΩ或50kΩ。模擬盒的作用是模擬地層電阻。圖8是極板檢測時一道電扣的檢測示意圖，由極板檢測系統產生的10KHz正弦波（峰值1V）經過模擬盒，模擬盒的電阻為100K或50K，則輸入儀器極板部分的電壓值為V或V，儀器極板部分再放大2萬倍，則儀器極板部分的輸出為2V或4V。

圖8 極板檢測示意圖

本次檢測采用的電阻模擬盒內電阻的分布情況是：序號為1、3、7、9、12、14、16、18、20、22的電阻阻值為100kΩ;序號為2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、21、23、24的電阻阻值為50kΩ;序號為5的位置不接電阻且斷開。在實際檢測中，極板檢測系統、電阻模擬盒、極板三者整體連起來，由示波器檢測到的極板輸出情況如圖9所示。

圖9 極板電扣信號一致性檢測的實際檢測情況

在圖9中，C2波形是節選于C1的波形。C1、C2中粉色波形是輸出的10KHz正弦波（峰值為1V），黃色的波形是極板24個電扣的輸出波形（每個電扣已用數字標出），序號為1、3、7、9、12、14、16、18、20、22的電扣輸出為2V，序號為2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、21、23、24的電扣輸出為4V。序號為5的電扣輸出為0V，這是因為模擬盒的相應位置是斷路。由此可見，除了電扣5以外，其它電扣的放大倍數均為2萬倍，有較好的一致性，這也與電阻模擬的情況相符合，極板電路輸出噪聲檢測的做法是只給儀器極板部分提供復位信號和時鐘信號，看儀器極板部分的輸出低噪聲是否為15mv以下，圖10是示波器在實際檢測中測得的極板低噪聲的輸出情況，可以看到，該極板的輸出低噪聲為15mv以下，基本符合要求。

圖10 極板電路輸出噪聲檢測

4.結束語

本文設計了基于CPLD的MCI測井儀的極板信號檢測系統，首先實現了極板電路輸出噪聲檢測和極板電扣信號一致性的檢測，有效地提高了極板信號檢測的效率。此外，從外出維修人員在現場的實際使用反饋情況表明，本文設計的極板檢測系統不僅可以實現極板檢測，并且解決了MCI極板檢測的小型化問題，使得極板檢測更為簡便、快捷、高效。

參考文獻

[1]王文學，伍妍紅，王愛英，王恒，李吉林，王憲軍.微電阻率掃描測井技術在山西煤層氣評價中的應用[J].石油儀器，2013（2）：72-74+1.

[2]肖宏，王淑明.微電阻率掃描成像測井儀改進及二次開發[J].研究報告，2006（7）.

[3]高同輝，王鍵.基于CPLD的繼電器測試系統設計[J].實驗室研究與探索，2014（1）：94-98.

[4]武立華，黃玉，王姣，趙恩銘，劉志海.基于CPLD的正弦波/方波互換電路及實驗[J].物理實驗，2014（3）：31-35.

[5]MCI5570測井儀使用維修手冊.中國石油集團測井有限公司.

[6]美國Altera公司.MAX7000可編程邏輯器件的數據手冊.

[7]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程[M].科學出版社，2010（6）.

基金項目：國家自然科學基金資助（項目編號：41174160）。