用于雙側(cè)向測(cè)井儀的信號(hào)濾波電路設(shè)計(jì)

王永濤，王書純，朱珺，邵春

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074；2.湖北科技職業(yè)學(xué)院電信工程學(xué)院，湖北武漢 430070；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

雙側(cè)向測(cè)井是地質(zhì)鉆井檢測(cè)中一種常用的電阻率測(cè)井方法，其聚焦式電極陣列測(cè)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(cè)向測(cè)井儀器的重要指標(biāo)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(jié)構(gòu)，通過多電極結(jié)構(gòu)的變換組合，提高分辨率[5-8]；此外，對(duì)信號(hào)數(shù)字處理的研究也比較多，但對(duì)于采集電路前端模擬信號(hào)的處理，尤其信號(hào)模擬濾波的研究比較少。文中設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)井儀器的檢測(cè)精度。

1 總體設(shè)計(jì)思路

雙側(cè)向測(cè)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(jié)構(gòu)最復(fù)雜的是探頭。探頭除了內(nèi)部電路部分外，外表面由9 個(gè)環(huán)形導(dǎo)電電極構(gòu)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(cè)向測(cè)井儀可以實(shí)現(xiàn)深側(cè)向和淺側(cè)向兩種儀器功能，深側(cè)向檢測(cè)距離在1 m 以上，可以檢測(cè)到鉆井外原始圍巖電阻率；淺側(cè)向檢測(cè)距離較近，可以檢測(cè)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(cè)量信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖1 雙側(cè)向測(cè)井儀作業(yè)示意圖

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

2 信號(hào)濾波電路設(shè)計(jì)

2.1 高階巴特沃茲帶通濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)雙側(cè)向測(cè)井儀信號(hào)采集濾波目標(biāo)要求，方案一使用巴特沃茲帶通濾波器，其效果相對(duì)于其他類型，通帶區(qū)間內(nèi)信號(hào)響應(yīng)是平坦的，對(duì)于存在頻散效應(yīng)的地層，只要信號(hào)在通帶內(nèi)，對(duì)結(jié)果影響很小。采用四級(jí)二階巴特沃茲帶通濾波器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成八階帶通濾波器來滿足要求，設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。前端電路中信號(hào)源自探頭電極，信號(hào)經(jīng)過變壓器和初步放大后，進(jìn)入帶通濾波器，篩選調(diào)理后分別得到兩種儀器各自的有用信號(hào)，再分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的電壓檢測(cè)電路。

圖2 方案一濾波器電路設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器構(gòu)成，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。運(yùn)算放大器采用HJ086，四運(yùn)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(shè)計(jì)，工作溫度范圍為-55～+200 ℃，適用于石油鉆井中高溫條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。200 ℃高溫環(huán)境下，HJ086 轉(zhuǎn)換速率為13 V/μs，對(duì)大小信號(hào)都能快速反應(yīng)，輸入失調(diào)電壓典型值為2 mV，且隨溫度變化基本保持不變，便于補(bǔ)償，共模抑制比可達(dá)100 dB，這些特性保證了帶通濾波器能在復(fù)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(yùn)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(gè)二階模塊都按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)，其中A1-A4 是深側(cè)向的4 個(gè)二階模塊，等效品質(zhì)因數(shù)Q值分別為16.8、16.8、6.93、6.93；A5-A8 是淺側(cè)向的4 個(gè)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(shí)際電路中不焊接電阻。同時(shí)，由于高溫器件不易購買，為了降低實(shí)際電路焊接調(diào)試的難度，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際電路電壓增益會(huì)出現(xiàn)偏差。以深側(cè)向32 Hz 信號(hào)為例，按照表1 中參數(shù)設(shè)計(jì)，使用ADI 公司filterwizard 軟件仿真，實(shí)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(shí)線為理論值），這一現(xiàn)象在小批量生產(chǎn)的10 臺(tái)儀器實(shí)測(cè)中也被驗(yàn)證，即使使用同一批次的原材料，電路焊接后，每臺(tái)儀器中心頻率處電壓增益略有不同，為了保證儀器的檢測(cè)精度和后續(xù)統(tǒng)一定標(biāo)，在濾波電路后面加入信號(hào)調(diào)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(cè)向?yàn)V波電路電壓增益仿真圖

以上設(shè)計(jì)的巴特沃茲八階帶通濾波器電路很好地完成了濾波任務(wù)。經(jīng)測(cè)試，深側(cè)向?yàn)V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(cè)向?yàn)V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(cè)過程的市電強(qiáng)電流干擾[12-14]。

2.2 專用芯片濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)雙側(cè)向測(cè)井儀信號(hào)采集目標(biāo)要求，方案二使用專用芯片為核心電路設(shè)計(jì)帶通濾波器，設(shè)計(jì)框圖如圖5 所示。框圖中前端電路和后端信號(hào)調(diào)理電路的作用與方案一設(shè)計(jì)中功能相同，在此不再贅述。專用芯片電路采用LINEAR 公司生產(chǎn)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(zhì)儀器設(shè)備，可以自由設(shè)計(jì)成低通、高通、帶通濾波器。該方案應(yīng)用LTC1068 為核心電路設(shè)計(jì)成八階帶通濾波器，完成雙側(cè)向測(cè)井儀信號(hào)采集設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖5 專用芯片濾波器電路設(shè)計(jì)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(gè)二階濾波單元，分別為二階單元A、B、C、D。考慮到芯片的引腳位置便于電路板布線，把4個(gè)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(hào)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(cè)向和淺側(cè)向硬件電路完全相同，唯一區(qū)別是輸入時(shí)鐘FCLK不同。圖6 實(shí)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(cè)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(cè)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(cè)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(jì)算并分別列出了4 個(gè)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(cè)向儀器4 個(gè)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(jí)聯(lián)構(gòu)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(shí)鐘FCLK 呈倍數(shù)關(guān)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(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程的精確頻率輸出，從而驅(qū)動(dòng)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(gè)控制引腳決定。控制引腳接到儀器MCU 的IO 口上，根據(jù)輸入信號(hào)的變化實(shí)時(shí)改變帶通濾波器參數(shù)，進(jìn)而擴(kuò)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(gè)控制引腳邏輯默認(rèn)為“111”，CLK 輸出為32.768 kHz，接入到FPGA 芯片EP4CE22 E22I8LN中[15-16]，經(jīng)過八分頻后輸出深側(cè)向儀器需要的FCLK1 頻率值4.096 kHz，經(jīng)過二分頻后輸出淺側(cè)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(duì)比及應(yīng)用

前面詳細(xì)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(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)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(diǎn)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(chǎn)普查鉆井中。表3 列出了兩種濾波電路詳細(xì)性能。

表3 兩種濾波電路性能對(duì)比

圖8和圖9是用巴特沃茲八階帶通濾波器分別檢測(cè)深側(cè)向儀大、小信號(hào)的濾波實(shí)驗(yàn)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(cè)淺側(cè)向儀大、小信號(hào)的濾波實(shí)驗(yàn)效果圖。實(shí)驗(yàn)效果圖用示波器觀測(cè)所得，四張圖中上半部分顯示的是濾波后的信號(hào)，下半部分顯示的是濾波前的信號(hào)，從實(shí)驗(yàn)圖中發(fā)現(xiàn)兩種濾波器實(shí)際運(yùn)行效果都較好。

圖8 深側(cè)向儀小信號(hào)濾波

圖9 深側(cè)向儀大信號(hào)濾波

圖10 淺側(cè)向儀小信號(hào)濾波

圖11 淺側(cè)向儀大信號(hào)濾波

4 結(jié)論

文中對(duì)雙側(cè)向測(cè)井儀信號(hào)濾波電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種濾波器對(duì)深側(cè)向儀和淺側(cè)向儀的大、小信號(hào)都具有很好的濾波效果，電路實(shí)用性高，性能穩(wěn)定，可廣泛用于檢測(cè)石油鉆井和地質(zhì)普查鉆井，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。