曹 微，師奕兵，王志剛，張 偉

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

微電阻率成像測(cè)井儀發(fā)射電路設(shè)計(jì)

曹 微，師奕兵，王志剛，張 偉

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

針對(duì)微電阻率成像測(cè)井儀的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于PWM方式的正弦信號(hào)發(fā)射源。該系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為主控芯片，并利用其產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)半橋功率放大，低通濾波，最后由變壓器輸出正弦波，為微電阻率成像測(cè)井提供信號(hào)激勵(lì)源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正弦波幅度滿足采集電路要求，信噪比滿足數(shù)據(jù)處理電路要求。發(fā)射電路已成功運(yùn)用于實(shí)際儀器中，取得了良好的應(yīng)用效果。

微電阻率成像測(cè)井；發(fā)射電路；PWM控制；PIC單片機(jī)；半橋

1 引 言

微電阻率成像測(cè)井儀是一種井壁電成像測(cè)井裝置[1]，通過高密度測(cè)量地層電阻率的微小變化，形成井壁電阻率圖像[2]，用于地層分析。

儀器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[3]，其等效電路原理如圖2所示，其中R1為泥漿電阻，R2為地層電阻，發(fā)射電路輸出的2kHz正弦信號(hào)經(jīng)過變壓器后，一端接在儀器上部回流電極，另一端接儀器下部發(fā)射電極，即儀器下部外殼。同時(shí)極板電路地也接在外殼上，極板內(nèi)部經(jīng)過一個(gè)10Ω電阻連到外部電扣上，在儀器工作時(shí)電扣緊貼在井壁上，這樣在測(cè)量時(shí)就會(huì)形成回路：儀器外殼——10Ω電阻——電扣——地層——回流電極。

儀器的最終目的是測(cè)量地層電阻R2，由于R2遠(yuǎn)大于R3，所以一般可通過下式計(jì)算：

圖1 儀器結(jié)構(gòu)原理圖

式中：U1——R1上電壓，即發(fā)射輸出電壓，由處理電路測(cè)量；

U3——10Ω電阻上的電壓，由極板采集，處理電路計(jì)算。

圖2 儀器等效電路原理圖

其中R2有時(shí)可達(dá)上百兆歐，此時(shí)發(fā)射電壓在R3上的分壓就會(huì)很低，不易測(cè)量；另外對(duì)于發(fā)射電路的主要負(fù)載R1有時(shí)會(huì)低于0.5Ω，所以對(duì)于發(fā)射電路的關(guān)鍵是輸出正弦波幅度高、帶負(fù)載能力強(qiáng)。

2 發(fā)射電路硬件總體設(shè)計(jì)方案

發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生2 kHz可程控幅度的功率發(fā)射正弦信號(hào)[4]，對(duì)地層進(jìn)行激勵(lì)。該電路通過串口通信與主控電路進(jìn)行通信，獲得各種控制參數(shù)；利用PWM控制方式產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)地層進(jìn)行激勵(lì)；同時(shí)還需要采集發(fā)射輸出的電壓及電流，并經(jīng)串口發(fā)送到主控電路，最終傳送到地面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；發(fā)射供電電源有內(nèi)部線性電源（+/-15V）供電與外部輔助電源供電兩種方式，可以根據(jù)測(cè)井需要靈活選擇。

圖3 發(fā)射電路硬件結(jié)構(gòu)圖

發(fā)射電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)發(fā)射板中的單片機(jī)PIC16F876通過UART接口收到主控板的工作指令后[5]，利用PIC芯片的CCP外設(shè)模塊生成PWM脈寬調(diào)制波[6]。PWM波首先經(jīng)過隔離電路，實(shí)現(xiàn)控制電路與輸出電路的隔離，之后經(jīng)過功率MOS管的驅(qū)動(dòng)電路，然后由功率MOS管進(jìn)行功率放大，再經(jīng)過LC選頻濾波網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)得到2kHZ的正弦波發(fā)射信號(hào)，最后由變壓器隔離輸出。同時(shí)，發(fā)射板采集發(fā)射電壓信號(hào)，發(fā)射電流信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)，一方面做峰值檢波，送入PIC，由其內(nèi)部的AD模塊采樣；另一方面，又傳送給數(shù)據(jù)處理板，作為數(shù)字相敏檢波的參考信號(hào)。

2.1 隔離整形電路

為簡(jiǎn)化整只儀器電源設(shè)計(jì)，半橋使用的功率電源是儀器的±15V電源，而半橋控制電路的參考地需要和半橋的負(fù)端相連，所以半橋的控制電路部分需要與PIC輸出隔離，單獨(dú)使用一套隔離電源。

設(shè)計(jì)所采用的是變壓器隔離法，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，由于變壓器只能通過交流信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)過變壓器后變成一系列尖脈沖信號(hào)，所以需要積分整形，在經(jīng)過比較器后還原成PWM信號(hào)。

圖4 隔離整形電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 半橋驅(qū)動(dòng)功率放大電路

信號(hào)經(jīng)比較整形后，其驅(qū)動(dòng)能力并沒有增強(qiáng)，所以在比較器后級(jí)采用了IR21844S芯片對(duì)功率MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[7]，達(dá)到功率放大的目的。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，IR21844S接收比較器輸出后，輸出兩路15V互補(bǔ)信號(hào)分別控制兩個(gè)MOS管，其中HO信號(hào)與PWM波波形一致，LO與HO反相，兩個(gè)MOS管電源V±FIL可采用±15V內(nèi)部電源供電，所以它們可輸出邏輯高電平為30V的具有較強(qiáng)負(fù)載能力的PWM信號(hào)，當(dāng)輸出需要更高電壓時(shí)，可切換馬達(dá)電源供電，電壓可從30V連續(xù)調(diào)至200V。

圖5 半橋驅(qū)動(dòng)功率放大電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 濾波輸出電路

濾波輸出電路的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中將變壓器初級(jí)看作是一電感，則選頻網(wǎng)絡(luò)是由一組串聯(lián)LC，再接一組并聯(lián)LC共同構(gòu)成。從PWM信號(hào)中濾出2kHz正弦波，變壓器是降壓變壓器，起阻抗變換作用，可減小發(fā)射電路的輸出內(nèi)阻，適應(yīng)不同的地層及泥漿環(huán)境，增加帶負(fù)載能力。

2.4 半橋電源及輸出變壓器選擇

圖6 濾波輸出電路的結(jié)構(gòu)圖

儀器在工作的絕大多數(shù)時(shí)候，圖5中半橋所使用的電源電壓V±FIL都是±15V內(nèi)部電源，圖6中變壓器初級(jí)選擇變比較低的1，2端，但是，由于井況的不同，偶爾會(huì)遇到一些特殊情況，比如地層巖石電阻率太大，導(dǎo)致極板采集電壓太小，測(cè)量不準(zhǔn)；比如泥漿導(dǎo)電率太高，導(dǎo)致發(fā)射電路輸出正弦波負(fù)載電阻太小，輸出電壓過多地加在內(nèi)阻上，最終也會(huì)使極板采集電壓太小，測(cè)量不準(zhǔn)。

對(duì)于第一種情況，單獨(dú)增加半橋電源電壓V±FIL，實(shí)際采用的辦法是利用PIC控制繼電器，使V±FIL在常規(guī)時(shí)接在±15V內(nèi)部電源上。需要增大電壓時(shí)將給儀器馬達(dá)供電的外部輔助電源接到V±FIL上，外部輔助電源是可由30～250V線性調(diào)整的直流電源，所以半橋以后的器件都選用的是耐壓600 V以上的高壓器件。

對(duì)于后一種情況除了要增加半橋電壓外，還要減小發(fā)射電路內(nèi)阻，否則過多的功率會(huì)消耗在發(fā)射電路內(nèi)部，具體的方式如圖6所示。利用繼電器在需要減小內(nèi)阻時(shí)，將通過串聯(lián)LC的信號(hào)從變壓器初級(jí)的2端接到3端上，進(jìn)一步增加降壓變壓器的變比，減小輸出端的內(nèi)阻，同時(shí)為保證并聯(lián)LC的諧振頻率還在2kHz上，電容也要切換到對(duì)應(yīng)的電容上。

PIC單片機(jī)引腳輸出無論是電壓還是電流都不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)際中是使用PIC控制MOS管開關(guān)，利用15V電源打開繼電器開關(guān)。

2.5 輸出檢測(cè)電路

發(fā)射電路需要自身檢測(cè)其輸出正弦波電壓電流值，同時(shí)，由于PIC的AD轉(zhuǎn)換精度較低，以及使用UART與主控電路通信速度較低，不能完成實(shí)時(shí)高精度測(cè)量，其測(cè)量值只能用于檢測(cè)。所以還需將測(cè)量模擬信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理做實(shí)時(shí)高精度測(cè)量，其測(cè)量點(diǎn)如圖6所示，測(cè)量1，3點(diǎn)電壓即可得到輸出正弦波電壓，已知1，2點(diǎn)之間電阻為0.01Ω，測(cè)得兩點(diǎn)的電壓即可求出輸出電流。以測(cè)量輸出電壓為例，測(cè)量電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，電壓信號(hào)首先通過AD620進(jìn)行去噪放大，之后將2kHz正弦信號(hào)送給處理板做相敏檢波計(jì)算，同時(shí)該信號(hào)由OP284進(jìn)行半波整形。最后經(jīng)電阻電容組成的均值檢波電路送入控制芯片PIC16F876A的內(nèi)部A/D中進(jìn)行采樣，即整支儀器會(huì)同時(shí)在發(fā)射板和處理板計(jì)算出輸出電壓和電流。

圖7 測(cè)量電路結(jié)構(gòu)圖

3 PWM波產(chǎn)生機(jī)理

為了使發(fā)射電路輸出的正弦波具有較快的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，設(shè)計(jì)中使用的脈寬調(diào)制采用實(shí)時(shí)計(jì)算法，根據(jù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型不同，PWM信號(hào)產(chǎn)生的方法有許多種[8]，如自然采樣法、面積等效法和規(guī)則采樣法等，其中規(guī)則采樣法由于其計(jì)算簡(jiǎn)單、占用內(nèi)存小、便于實(shí)時(shí)控制而被該次設(shè)計(jì)所采用。

以最常見也是該次設(shè)計(jì)最早采用的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）為例[9]，其原理如圖 8（a）所示，用三角波yc作為載波信號(hào)，正弦波 ys=Yssin（2πfst）作為基波調(diào)制信號(hào)，根據(jù)yc和ys的交點(diǎn)得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào)，即SPWM信號(hào)。這種波理論上除基波分量外，諧波主要是角頻率為ωc，2ωc及其附近的諧波，很容易通過濾波得到信噪比較高的正弦波，但缺點(diǎn)是所得到的正弦波幅度較小，和基波幅度一致。圖8（b）是改進(jìn)后的設(shè)計(jì)思路，用梯形波替換以前的正弦波做基波，提高了一定的電壓利用率，但是產(chǎn)生的PWM波中引入了角頻率為5ωs的諧波，由于和基波頻率太近，濾波效果不好，會(huì)在最后輸出的2kHz正弦波中引入5次諧波。圖8（c）是最后的設(shè)計(jì)方案，將基波梯形波的三角化率降低到0即可變?yōu)榫匦尾?，同時(shí)為簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，將矩形波負(fù)半周固定在載波最下端，調(diào)整調(diào)制度時(shí)就可以只進(jìn)行半波調(diào)整，這種方式可最大限度地利用電壓，但是產(chǎn)生的PWM波會(huì)引入方波的所有諧波分量，其中3次和5次諧波分量在濾波中衰減不夠，會(huì)出現(xiàn)在輸出的正弦波中。

圖8 PWM波產(chǎn)生機(jī)理

最后采用矩形波為基波產(chǎn)生的PWM波的原因主要有兩個(gè)：（1）以矩形波為基波最后輸出的正弦波比采用SPWM方式的輸出有明顯提高，采用內(nèi)部電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，前者最大輸出電壓有效值為4.4V，后者只有3.4V；（2）雖然矩形波為基波輸出的正弦波信噪比有所降低，但是極板采集信號(hào)的信噪比卻沒有明顯變化，基本維持在25 dB左右，滿足處理電路對(duì)采集信號(hào)的需要，這是因?yàn)椴杉碾妷汉苄。肼曋饕怯蓸O板電路的白噪聲構(gòu)成，而不是發(fā)射電路輸出的低次諧波。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

微電阻率成像測(cè)井儀在測(cè)井時(shí)，發(fā)射電路一般工作使用內(nèi)部電壓，輸出變壓器選擇變比較低的初級(jí)，發(fā)射電路未加負(fù)載時(shí)，空載輸出正弦波電壓有效值為4.4V，信噪比約為32 dB，如圖9所示，上部是它的頻譜圖。輸出內(nèi)阻為0.4Ω，雖然不同的井負(fù)載差別很大，但是，最低時(shí)也大多在1Ω左右。在井況特殊時(shí)，也可以根據(jù)地面命令將供給馬達(dá)的外部輔助電壓接入發(fā)射電路，以提高輸出信號(hào)幅度，以及切換輸出變壓器初級(jí)引腳，提高降壓比，減小內(nèi)阻。

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試，像花崗巖這類高電阻率巖石，微電阻率成像測(cè)井儀也能準(zhǔn)確分辨出。圖10是在遼河實(shí)驗(yàn)室測(cè)試由各種巖石搭建的實(shí)驗(yàn)井所成的圖像，準(zhǔn)確地反映出了測(cè)量范圍內(nèi)井壁上各種孔洞溝槽的形狀。儀器最終經(jīng)過多次實(shí)地測(cè)井，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，圖11是儀器在勝利油田孤古-8井測(cè)試的部分截圖，圖像準(zhǔn)確清晰地反映出了該井段的實(shí)際地層情況[10]。

5 結(jié)束語

圖9 發(fā)射電路輸出正弦波

圖10 遼河實(shí)驗(yàn)井圖像

圖11 勝利油田測(cè)井截圖

該文從微電阻率成像測(cè)井儀的實(shí)際需要出發(fā)，介紹了一種基于PIC單片機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)，講述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，并給出了具體電路結(jié)構(gòu)以及所采用的PWM的生成機(jī)理。該電路已經(jīng)隨微電阻率成像測(cè)井儀進(jìn)行過多次實(shí)地測(cè)井，經(jīng)實(shí)踐證明發(fā)射電路運(yùn)行穩(wěn)定，配合整支儀器所成圖像清晰，滿足了設(shè)計(jì)要求。目前發(fā)射電路及儀器其他各部分已經(jīng)完成產(chǎn)品定型，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段。

[1]原宏壯，陸大衛(wèi).測(cè)井技術(shù)新進(jìn)展綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（3）：786-795.

[2]王 珺，楊長(zhǎng)春，許大華，等.微電阻率掃描成像測(cè)井方法應(yīng)用及發(fā)展前景[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（2）：357-364.

[3]程 希，任戰(zhàn)利，韓宗完.WDSA微掃測(cè)井測(cè)斜系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（2）：791-796.

[4]高 冰，吳亞鋒，裘 炎，等.基于PIC單片機(jī)的測(cè)井系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)源研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，24（11）：13-15.

[5]張明峰.PIC單片機(jī)入門于實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]陳曉萍，王念春，馬玉龍.基于PIC單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（3）：39-42.

[7]李紹杰.基于IR21844的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].2008，10（1）：39-41.

[8]王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[9]孟慶波，曲素榮.SPWM控制方法淺析[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19（4）：14-15.

[10]王熙榮，羅菊蘭，張 龍，等.增強(qiáng)型微電阻率成像測(cè)井資料的應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù)，2007，31（3）：262-266.

Design of transm itting circuit for m icro-resistivity imaging logging tool

CAO Wei，SHI Yi-bing，WANG Zhi-gang，ZHANG Wei
（School of Automation Engineering，University of Electronic Ssience and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In this paper，a sine wave transmitter source based on PWM source was designed according to the features of micro-resistivity imaging logging.PIC microprocessor is used as the master control chip of the system.After amplified by half-bridge power amplifier and filtered by low-pass filter，the PWM signal produced by the PIC chip is exported as sine wave by a transformer.The sine wave voltage is used as the driving source for micro-resistivity imaging logging.The experiment results showed that amplitude of the sine wave can meet the requirements of Acquisition Circuit and SNR of the sine wave can meet the requirements for Data Processing Circuit.The transmitting circuit has been successfully applied in actual tool and good effect were achieved.

micro-resistivity imaging logging；transmitting circuit；PWM；PIC；half-bridge

TE2；TP752

A

1674-5124（2011）01-0070-04

2010-01-20；

2010-04-07

中海油企業(yè)發(fā)展基金（JSKF2007YJ16）

曹 微（1984-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槭凸こ虦y(cè)井相關(guān)信號(hào)激勵(lì)源設(shè)計(jì)。