一種多側向測井儀器的主控電路設計

張全文 韓偉(中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201)

一種多側向測井儀器的主控電路設計

張全文 韓偉(中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201)

本文論述了對六路DDS模塊電路的正弦信號幅度和相位的控制；完成了對五個通道，并且每個通道含有6個頻率信號的快速相敏檢波算法；實現了五路接收信號的自動幅度控制和疊加運算；以及對發射信號的幅度監測和通信接口的實現。實踐表明，該多側向石油測井儀器主控電路穩定可靠地工作，達到了設計要求。

DDS模塊；相敏檢波算法；幅度控制；幅度監測

多側向測井儀是基于側向聚焦的基本原理。可依次構成徑向上由淺入深的多種不同探測深度的地層電阻率測量，詳細描述地層侵入剖面，同時具有較好的薄層分辨能力。由于該儀器能夠測得多條測井曲線的數據，這就使得多參數反演成為可能，為測井解釋提供豐富的資料。而多側向測井儀的主控電路是其核心電路之一，可以完成了多路DDS模塊的幅度和相位控制；實現了多路信號的快速相敏檢波算法；實現多路信號的自動幅度控制和疊加運算；以及對發射信號的幅度監測和通信接口的實現。

1 電路總體設計

首先，多側向測井儀的主控電路會通過通信接口電路接收地面軟件的命令，主控電路的FPGA接收到命令并譯碼，并通知DSP[1]進行相應的控制和操作。然后DSP會根據需要并要求FPGA向6路DDS模塊寫入相應的頻率和相位控制字，同時要求FPGA向前放板發送信號采集命令。最后，FPGA通過通信接口電路，接收到前放板的信號數據，并發送給DSP處理器，DSP會進行相應的信號處理，并將最后的運算結果發送給地面軟件，從而完成了儀器的1次完整的信號采集與處理工作。

2 DDS模塊電路

DDS模塊電路的核心芯片為AD9832[2]，該芯片主要由數控振蕩器(NCO)和相位調制器、正弦查詢表和一個10bit的D／A轉換器組成。

AD9832的輸出頻率fout由時鐘頻率fclk和頻率控制字△phase決定。通過改變△phase的值來控制輸出頻率大小。

fout=(Δphase/2N)fclk，(1)

其中：N為相位累加器的位數，AD9832的相位累加器有32 bit。根據采樣定理，DDS的最高輸出頻率fmax≤fclk/2，實際應用中一般只能達到40%的fclk[3]。若時鐘頻率fclk=12 MHz，要產生的fout=300Hz，則頻率控制字為△phase=232*fout/fclk= 1A36E(H)。AD9832的最小頻率分辨率△f=(1/232)fclk，與其他頻率合成方法相比，它的分辨率是很高的。

實際設計的DDS模塊電路，其中，MCLK是DDS模塊AD9832的工作頻率，FPGA通過SYN_SCLK，SYN_SCLK，SYN_SDATA的通信接口，向AD9832發送頻率和相位控制字，使得AD9832產生需要的起始相位和頻率信號。

3 相敏檢波算法

數字信號處理的目的常常為了得到信號的電流幅度AI和電壓信號的幅度AV，以及它們間的相位差ψ。假設接收到的復合信號A（t）為：

假設采樣區間為T,現在對（1）式在進行傅里葉變換，得

其中，T為被測信號的周期，f0為發射信號的頻率，A為被測信號的幅度，C為比例因子。計算被測信號的幅度電壓：。設計中選用FPGA控制模數轉換器的采集，并將采集的數據實時地傳送給DSP（TMS320F28335）。該DSP為浮點DSP，進行浮點運算速度快，同時避免了之前的定點DSP運算累加和結果容易溢出的現象。由于采樣頻率為8KHz，因此，DSP要在125us內完成信號的95bit信號的接收，以及累加運算。

4 自動幅度與相位控制

首先，多側向測井儀共有6路發射信號，如果發射信號發生飽和，就會影響信號檢測的精度。因此，主控電路要實時地對發射信號進行監測。而發射信號發生飽和時，根據傅里葉級數可知，該信號必然會產生奇次諧波。設計中選用發射頻率的3倍頻作為監測對象。當發射信號某個頻率的3倍頻的幅度值超過50，就會設置要求降低發射信號的標志。設計中一共實現了6路發射電壓、6路發射電流的3倍頻信號的幅度計算，從而完成了對發射信號幅度的實時監測。

其次，主控板還要接收5個增益通道的信號數據，其中有2個高、低增益通道的電壓數據，3個高、中、低增益通道的電流數據。而這些數據中只有1路增益的電壓數據和1路增益的電流數據可以使用。因此，主控電路需要選擇合適增益的數據，同時要根據這些數據進行合適地調整發射信號的幅度。

最后，為了提高信號幅度計算的精度和穩定性，主控電路還要控制發射信號的相位，從而使得信號采集每次采集都可以從相同的相位進行采集。同時，主控電路根據測井時間的需要，對采集的數據進行多次疊加，有利于較大提高信號幅度計算的穩定性。

5 結語

多側向測井儀的主控電路采用數字相敏檢波技術，可以準確高效地檢測信號幅度，并可以為信號發射模塊提供優良的信號源，同時可以快速地調整發射信號的幅度。實踐證明，該電路可以穩定可靠的工作，通過了現場作業的實驗，滿足實際作業的要求。

[1]劉陵順，高艷麗等著.TMS320F28335 DSP原理及開發編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2]Programmable Waveform Generator AD9832.Rev.B Analog Devices,Inc.2010.

[3]張林，趙俊渭.一種基于DDS AD9832的帶噪聲低頻信號源設計[J].電聲技術.Vol31 No.5 Jan.2007.

[4]李念強，張煥春.數字相敏檢波器的設計與實現[J].電測與儀表.Vol.38 No.425 May.2001.

張全文，(1982-)，工程師，2009年畢業于電子科技大學(成都)測試計量技術及儀器專業獲得碩士學位，現在中海油服油技研究院工作。