一種多通道微弱電流信號檢測電路的設計與實現

徐杰，孫向陽，于增輝，王芝江

（1.電子科技大學電子科學與工程學院, 四川成都，611731；2.中海油田服務股份有限公司，河北燕郊，065201）

0 引言

依托著電、聲、核、磁等物理量及相應的物理原理，現代測井技術通過采集此類物理量，并進行一些信號處理及電路處理，便能夠采集到地層豐富的信息。與傳統的測井技術相比較，電成像測井技術在儲層的識別、裂縫的分析等方面具有更為明顯的優勢，在油田勘探開發中發揮著重要作用。微電阻率電成像測井的主要原理是通過電極與井壁接觸，使發射激勵與井壁之間形成回路，通過采集電極上的電信息來獲取地層的電阻率信息，并通過該電阻率變化呈現出地層的圖像。但是若地層電阻很大時，采集到的電流信號幅度會相當的小，往往是納安級別的電流，而倘若地層電阻很小時，采集到的電流幅值又可能是毫安級別的信號，因此要求儀器能夠適應大動態范圍的電流測量，并且能夠對納安級的微弱電流信號具有較高的靈敏度。本文闡述了電路設計的思路及方法，實現了一種高靈敏度、大動態范圍測量能力的采集電路。

1 電路總體設計方案

采集電路需完成對25路電極通道的有序采集，激勵信號為2kHz正弦信號，每個通道采集2.5個周期信號，由FPGA對模數轉換電路進行采集時序的控制，并向上位機上傳所采模值，電路整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

由于電極所采集到的信息為激勵信號經地層回流的電流信號，而在電路的信號處理上，處理電壓信號相較于處理電流信號而言更簡便且更常用，故在通道采集后，需要對輸入的電流信號進行處理，將其轉換為電壓信號，方便后續的處理；由于電路需要具備測量大動態范圍信號的能力，電路設計上選擇兩檔增益變換，以此適應不同范圍地層電阻的測量，此外還需要考慮模數轉換器測量范圍、運算放大器的輸出電壓限制，所以增益的選取不能過大，過大的增益會導致輸出信號超量程，或運算放大器輸出削頂，使得測量數據不準確。在第一級較大增益差之后，第二級放大設計了兩檔增益較小的電路，該級電路在測量時與前一級相結合，在不同環境下，可以通過組合的方式選取更為合適的測量檔位，由于第一級放大電路為主要工作電路，第二級為輔助電路，故本文中主要闡述第一級放大電路的設計，第二級放大電路不再敘述。

2 電流信號處理設計

電流信號處理電路的作用在于將所采集到的電流信號轉變為電路中更易處理的電壓信號，以此方便后續電路對信號的處理。其實現方式如圖2所示。

圖2 電流信號處理框圖

其中AC為外部發射電路所給出的頻率為2kHz的激勵正弦信號，R0為地層模擬電阻，即輸入到電流轉換電路中的信號便是系統所需要采集的電流信號，信號經過電壓轉換電路后，輸出信號為電壓信號，其電流與電壓的關系式為：

式中K為流壓轉換比，其值代表了電流轉換到電壓后的比例關系，在后級的放大電路確定了增益后，此處的流壓轉換比應選取合適，過大的K值將會導致后級放大濾波電路后，信號幅度過大，超出AD轉換器的測量范圍，導致信號削頂失真，測試數據將會出現異常。

3 放大濾波電路設計

在電路模塊中完成信號的采集處理及模值上傳后，上位機中會對數據進行數組相敏檢波算法進行幅度的提取，雖然數字相敏檢波對信號中的噪聲有較強的抑制能力，但是使電路擁有較低的噪聲水平對獲得更高的靈敏度及穩定度是必要的。而放大濾波電路設計的宗旨在于對所選頻率具有選擇性，即只能允許必要的信號通過，而對不需要的信號有抑制的作用，因此一個好的低噪放大電路設計時有必要的。第一級中低增益與高增益的放大濾波電路原理如圖3所示。

圖3 放大濾波設計原理

第一級低增益電路設計為一個通帶增益較低，中心頻率為2kHz的帶通濾波器，VL作為低增益檔位的輸出，直接連接至增益選擇的模擬開關，同時也作為第二級高增益放大器的輸入。第二級電路首先通過一個二階RC高通濾波器濾除掉信號中不必要的低頻信號，并由反饋回路完成低通濾波的功能，總體上，該級電路同樣是中心頻率為2kHz的帶通濾波器，并由R7、R8控制通帶增益。

由于輸入信號微弱，因此電路中對于噪聲的抑制尤為重要，簡單的電路噪聲中主要包含電阻熱噪聲及運放噪聲。電阻熱噪聲電壓密度為一個與頻率無關的量，其計算公式為：

而運放常見的噪聲根源有兩類，一類為1/f噪聲，其電能力密度曲線隨著頻率的上升而下降，在1Hz處，1/f噪聲的點能力密度為C2，在一個規定的頻率范圍內，其噪聲電壓有效值表達式為：

另一類為白噪聲或者叫平坦噪聲，其點能力密度曲線是一條直線，與頻率無關，其電能力為密度為K2,則在一個規定的頻率范圍內，其噪聲電壓有效值為：

因此在設計放大濾波電路時，電阻的取值不能過大，以減少電阻熱噪聲帶來的影響，同時濾波電路的設計中通帶應該設置合適，過大的通帶不能很好的抑制不必要的信號噪聲，而過窄的通帶可能導致電路不穩定。

4 測試結果分析

對采集電路的測試中，通過信號發生器產生頻率為2kHz，正弦信號來模擬激勵信號，通過串聯電阻來模擬地層電阻，并通過改變激勵信號的幅度，來獲得所需的采集電流的值，事實上也可以固定激勵信號的幅值，通過改變地層模擬電阻的大小獲取電流值。測試的主要目的為考察電路對nA級電流的響應能力及電路對電流測量的動態范圍，故測量時主要考察了第一級為高增益且第二級為高增益，以及第一級為低增益且第二級為低增益時的兩種情況，測試數據如表1所示。

表1 輸入-輸出相應值

由表1的數據進行曲線擬合，并使用對數坐標縮小數據范圍得到采集電流與輸出相應值之間的關系曲線圖如圖4所示。

圖4 輸入—輸出響應曲線

表中未接入電阻時表示電路沒有接入發射回路，測量結果為空氣噪聲，也就相當于該電路系統所能測量的最小電流值，通過線性區間內實際放大倍數進行反演得到，未接入電阻時，響應值對應的輸入電流有效值大小為1nA，由于反演值是通過線性區間的變化率所得到的，而此時的響應值已經處于非線性段內， 所以并非代表在輸入電流有效值為1nA時，輸出響應值一定為0.37mV左右，相反的，輸出相應值為0.37mV時，實際的輸入電流會更小。

在考察電流靈敏度時，相當于地層模擬電阻相當大，回路電流相當小，此時電路必須工作在高增益情況下，而在考察電路測量動態范圍時，則需要考慮整個放大電路的測量范圍。在擬合曲線中可以看出，在高增益的情況下，對于采集電流有效值為1.41nA時，輸出響應值仍然在較良好的線性區間內，說明電路對有效值為1.41nA的微弱電流信號該范圍的電流仍然有較高的分辨率。然而在實際的成像圖中，能夠具有區分度的區間并不僅僅只包含完全在線性區間內的測量值，當測量值在非線性區間中，只要值仍然能與電路所能測量的最小電流值有一定的區分度時，仍然可以得到能夠識別的成像圖。若定義輸出響應值與最小響應值的差值為AD轉換最小分辨率的兩倍時，該測量值可認定為非線性區間內有足夠區分度。此處AD轉換器轉換位數為16位，參考電壓為2.5V，故可計算得該AD轉換器的最小分辨率為：

通過式(5)與測量值可計算得在輸入電流有效值為0.7nA與未接入電阻時的測量差值與AD轉換器的最小分辨率之間的比例為：

所以可以認為，對于輸入電流有效值為0.7nA時，仍然可以認為相較于空氣噪聲有足夠的區分度，在成像效果上能夠識別。

在低增益測量情況下，對于采集電流有效值達到1.2mA時，輸出相應值才出現了明顯的非線性，說明該電路能夠響應的最大采集電流有效值為1.2mA，動態測量范圍為0.7nA～1.2mA，且在整個動態范圍內，測量曲線具有足夠的分辨特性。

5 總結

針對微電阻率成像測井儀的測量需求，設計了一款高電流靈敏度、大動態范圍測量能力的采集電路，通過實驗表明，該電路能夠實現對多路微弱信號的檢測，且對有效值為1.41nA電流信號有較為良好的線性度，對有效值為0.7nA的電流信號仍能有區分度，測量動態范圍達125dB。