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(cè)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(cè)井儀的清晰度和分辨率。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于CPLD的MCI測(cè)井儀的極板信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。首先通過(guò)Quartus II軟件對(duì)所選取的CPLD進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及仿真，然后通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)了極板檢測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)MCI測(cè)井儀的極板進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)和試驗(yàn)，證明了該極板檢測(cè)系統(tǒng)能用于MCI儀器的極板檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了MCI測(cè)井儀極板檢測(cè)工具的小型化和高效化。

【關(guān)鍵詞】微電阻率掃描成像;極板檢測(cè)系統(tǒng);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(cè)井儀，主要用于測(cè)量地層的非均質(zhì)信息，在地層的精細(xì)結(jié)構(gòu)描述、薄層劃分、裂縫識(shí)別、沉積相分析等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用效果。微電阻率掃描成像的井下儀器主要由極板內(nèi)置電路、預(yù)處理短節(jié)、數(shù)據(jù)采集短節(jié)、電纜遙傳短節(jié)組成，圖1顯示微電阻率成像儀器的組成[1]。每支MCI測(cè)井儀上有六個(gè)極板，每個(gè)極板上有24個(gè)分布規(guī)律的電扣。測(cè)井時(shí)，電扣與井壁接觸，用于直接采集地層的電流。極板內(nèi)腔置有極板電路板，電扣信號(hào)經(jīng)過(guò)極板電路板的放大處理后，通過(guò)一個(gè)7芯微插件引入儀器腔[2]。極板是微電阻率掃描成像測(cè)井儀井下最關(guān)鍵的部分，它的好壞影響微電阻率掃描成像測(cè)井儀的清晰度和分辨率。因此，在MCI測(cè)井儀的實(shí)際生產(chǎn)和維修中，對(duì)極板的檢測(cè)就顯得尤其重要。極板檢測(cè)包括檢測(cè)極板電扣的一致性和檢測(cè)極板的低噪聲輸出，通過(guò)檢測(cè)這兩方面的情況，對(duì)當(dāng)前極板的性能做出判斷。進(jìn)行極板檢測(cè)的時(shí)候，需要為極板電路板提供信號(hào)源和極板時(shí)序控制信號(hào)。

圖1 微電阻率成像儀器的組成

圖2 MCI測(cè)井儀一塊極板內(nèi)置電路原理圖

本文基于CPLD設(shè)計(jì)了一套適用于MCI測(cè)井儀的極板信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，首先通過(guò)Quartus II軟件對(duì)所選取的CPLD進(jìn)行仿真，然后通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)了極板檢測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)MCI儀器極板的實(shí)際檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)，證明了該極板檢測(cè)系統(tǒng)能用于MCI測(cè)井儀的極板檢測(cè)。

1.MCI極板模型

微電阻率成像測(cè)井儀的推靠器短節(jié)裝有六個(gè)極板，每個(gè)極板有24個(gè)電扣，共144個(gè)電扣。每塊極板裝有內(nèi)置電路，每個(gè)電扣電流信號(hào)在極板內(nèi)經(jīng)過(guò)采樣放大、模擬開(kāi)關(guān)后傳到預(yù)處理短節(jié)，圖2為MCI測(cè)井儀一塊極板內(nèi)置電路的原理圖。一個(gè)極板體有24個(gè)電扣，采用3個(gè)八選一模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)輸出每個(gè)電扣信號(hào)，再用1個(gè)八選一模擬開(kāi)關(guān)將前3個(gè)八選一模擬開(kāi)關(guān)的信號(hào)分時(shí)輸出[3]。每個(gè)電扣信號(hào)的放大倍數(shù)為2萬(wàn)倍。時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)都來(lái)自MCI測(cè)井儀的預(yù)處理短節(jié)，正弦波由采集短節(jié)提供。復(fù)位信號(hào)RST的作用是對(duì)極板內(nèi)置多路選一電路進(jìn)行復(fù)位，目的是在極板每次通電之后，確保進(jìn)行采集電扣的位置是固定的第一個(gè)電扣;每組時(shí)鐘信號(hào)CLK共有24道，每道時(shí)鐘信號(hào)在通過(guò)二進(jìn)制地址編碼器之后，相應(yīng)對(duì)應(yīng)一道模擬開(kāi)關(guān)的選通地址，從而控制極板電扣信號(hào)的傳輸[4]。由于所選的二進(jìn)制編碼器是串行輸入，因此將復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)先通過(guò)加法器合成一道信號(hào)，然后通過(guò)一個(gè)比較器依次輸出。

2.極板檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 極板檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)

極板電路輸出噪聲檢測(cè)和極板電扣信號(hào)一致性檢測(cè)是極板檢測(cè)的主要內(nèi)容，本文通過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)生極板檢測(cè)所需的信號(hào)源信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)極板的檢測(cè)。極板檢測(cè)系統(tǒng)與極板的關(guān)系如圖3所示。

圖3 極板檢測(cè)系統(tǒng)與儀器極板部分的關(guān)系

信號(hào)源信號(hào)是一組10KHz的正弦波，輸出峰值為1V，然后將此信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬地層電阻后從電扣輸入，以此作為信號(hào)檢測(cè)的對(duì)象[5]。復(fù)位信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)在時(shí)序上有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了使得它們嚴(yán)格的時(shí)序?qū)R，本文采用了基于CPLD的電路來(lái)產(chǎn)生所需的信號(hào)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示（未經(jīng)過(guò)加法器），其中，復(fù)位信號(hào)的脈寬為400us，周期為30ms;時(shí)鐘信號(hào)的脈寬為200us。為了減小模擬開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候?qū)π⌒盘?hào)的影響，設(shè)定時(shí)鐘信號(hào)的占空比較小。

圖4 極板檢測(cè)系統(tǒng)與儀器極板部分的關(guān)系

2.2 極板檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)極板檢測(cè)系統(tǒng)所要提供的10KHz的正弦波、復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯器件EPM7064所設(shè)計(jì)的電路，產(chǎn)生上述三個(gè)信號(hào)，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(fù)位信號(hào)RST和時(shí)鐘信號(hào)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(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，所以這里采用數(shù)字驅(qū)動(dòng)器件CD4050BF為這兩個(gè)信號(hào)增加負(fù)載能力，然后將這兩道信號(hào)通過(guò)一個(gè)加法電路合成一道信號(hào)作為輸出。由EPM7064輸出的10KHz方波先經(jīng)過(guò)中心頻率為10KHz、品質(zhì)因數(shù)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(hào)，為增加其負(fù)載能力，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)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(cè)系統(tǒng)的原理框圖

2.3 極板檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文所介紹的極板信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件方面是利用Altera公司所開(kāi)發(fā)的Quartus II軟件對(duì)所選的EPM7064可編程邏輯器件進(jìn)行模擬仿真[6]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了模塊化設(shè)計(jì)的方法，包括對(duì)已有的計(jì)數(shù)器模塊的使用，同時(shí)使用VHDL語(yǔ)言編寫了所需的分頻程序等，并將其生成相應(yīng)的模塊，最后將所有的模塊連接起來(lái)進(jìn)行仿真，并通過(guò)Quartus II軟件里的波形文件進(jìn)行波形仿真[7]。波形仿真的結(jié)果如圖6所示，第0道為復(fù)位信號(hào)，第1道為時(shí)鐘信號(hào)，第2道為10KHz的方波，圖6中虛線區(qū)間的放大波形如圖7所示，由此可見(jiàn)，仿真結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 波形仿真圖

圖7 波形仿真圖

3.極板信號(hào)檢測(cè)

極板信號(hào)的檢測(cè)包括極板電扣信號(hào)一致性檢測(cè)和極板電路輸出噪聲檢測(cè)。其中，極板電扣信號(hào)一致性檢測(cè)是指儀器極板各個(gè)電扣的放大倍數(shù)是否為2萬(wàn)倍，極板電路輸出檢測(cè)是指極板整體的低噪聲是否為低于15mv。本文設(shè)計(jì)的極板檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際檢測(cè)運(yùn)用情況如下闡述。在極板電扣信號(hào)一致性檢測(cè)中，首先介紹一下電阻模擬盒。電阻模擬盒內(nèi)部有并列的24個(gè)電阻，它們的順序有一定規(guī)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(cè)時(shí)一道電扣的檢測(cè)示意圖，由極板檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的10KHz正弦波（峰值1V）經(jīng)過(guò)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(wàn)倍，則儀器極板部分的輸出為2V或4V。

圖8 極板檢測(cè)示意圖

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

圖9 極板電扣信號(hào)一致性檢測(cè)的實(shí)際檢測(cè)情況

在圖9中，C2波形是節(jié)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(gè)電扣的輸出波形（每個(gè)電扣已用數(shù)字標(biāo)出），序號(hào)為1、3、7、9、12、14、16、18、20、22的電扣輸出為2V，序號(hào)為2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、21、23、24的電扣輸出為4V。序號(hào)為5的電扣輸出為0V，這是因?yàn)槟M盒的相應(yīng)位置是斷路。由此可見(jiàn)，除了電扣5以外，其它電扣的放大倍數(shù)均為2萬(wàn)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(cè)的做法是只給儀器極板部分提供復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)際檢測(cè)中測(cè)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(cè)

4.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于CPLD的MCI測(cè)井儀的極板信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)了極板電路輸出噪聲檢測(cè)和極板電扣信號(hào)一致性的檢測(cè)，有效地提高了極板信號(hào)檢測(cè)的效率。此外，從外出維修人員在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用反饋情況表明，本文設(shè)計(jì)的極板檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)極板檢測(cè)，并且解決了MCI極板檢測(cè)的小型化問(wèn)題，使得極板檢測(cè)更為簡(jiǎn)便、快捷、高效。

參考文獻(xiàn)

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