陳章龍, 陳濤, 高波, 郭用梅, 胥召, 范曉文

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步,測(cè)井裝備逐步向小型化精細(xì)化方向發(fā)展。中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自主研發(fā)的EILog成套測(cè)井裝備不斷升級(jí),其中快速測(cè)量型陣列感應(yīng)測(cè)井儀在保證功能不變的情況下,將原長(zhǎng)度從10 m縮短為5 m。儀器縮短不僅體現(xiàn)在線圈系部分,更體現(xiàn)在電路系統(tǒng)部分。其中,多頻多通道微弱信號(hào)前置放大與帶通濾波處理,是陣列感應(yīng)測(cè)井儀電路系統(tǒng)縮短的關(guān)鍵。前置放大電路與帶通濾波電路是陣列感應(yīng)測(cè)井儀準(zhǔn)確測(cè)量地層信號(hào)的基礎(chǔ),原陣列感應(yīng)測(cè)井儀4塊前置放大板和2塊帶通濾波板由分離器件搭建,同一時(shí)間只能處理4道數(shù)據(jù),通過(guò)開(kāi)關(guān)切換分時(shí)實(shí)現(xiàn)8道數(shù)據(jù)處理[1-2]。機(jī)械尺寸以“工”字型骨架52 mm寬計(jì)算,PCB印制板板長(zhǎng)累計(jì)140 cm。新陣列感應(yīng)測(cè)井儀實(shí)現(xiàn)8道數(shù)據(jù)同時(shí)采集處理,“工”字型骨架長(zhǎng)度只能設(shè)計(jì)在20 cm以?xún)?nèi)。針對(duì)這一情況,本文提出集成化前置放大與帶通濾波板設(shè)計(jì)思想,以分離器件印制板十分之一的面積實(shí)現(xiàn)了相同的功能,而且性能穩(wěn)定、調(diào)試維護(hù)方便,對(duì)多通道成像測(cè)井儀器性能的提升具有參考價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)要求與硬件結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)功能

原陣列感應(yīng)測(cè)井儀采用分離器件搭建的4塊前置放大板和2塊帶通濾波板,通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)4道短陣列與4道長(zhǎng)陣列之間切換,各道信號(hào)再次通過(guò)分時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)與內(nèi)刻信號(hào)的放大和帶通濾波預(yù)處理。新陣列感應(yīng)測(cè)井儀要求以更短的機(jī)械尺寸實(shí)現(xiàn)8道測(cè)量信號(hào)與內(nèi)刻信號(hào)的放大和帶通濾波的同步處理。

1.2 設(shè)計(jì)要求

新陣列感應(yīng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求集成度高,穩(wěn)定性好,溫度性能可靠等特點(diǎn)。集成化前放帶通板電路系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)在最靠近接收探頭“工字型”骨架正反各布一塊板,單板長(zhǎng)度不能大于150 mm,板寬48 mm。每塊板實(shí)現(xiàn)4道信號(hào)的前置放大和3個(gè)頻率帶通濾波處理,8路信號(hào)通過(guò)一個(gè)LOG/CAL信號(hào)切換,實(shí)現(xiàn)對(duì)8路信號(hào)并行處理。其中,濾波處理要求每個(gè)通道要實(shí)現(xiàn)26、52、105 kHz這3種頻率的帶通濾波和增益放大處理,不同通道總增益倍數(shù)不一樣,具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 各道增益倍數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)思路

要求在較小面積的單板上實(shí)現(xiàn)四通道,每個(gè)通道實(shí)現(xiàn)3個(gè)頻率的微弱信號(hào)帶通濾波處理,而且?guī)V波品質(zhì)因數(shù)Q較大,可以采用集成化分級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-4]。

針對(duì)100 nV級(jí)微弱信號(hào)的放大,電路可以采用差分輸入、分級(jí)放大的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),為防止運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)自激振蕩以及電壓漂移,采用對(duì)稱(chēng)的負(fù)反饋電路。帶通濾波電路針對(duì)較高的Q值且通帶不小于5 kHz,可以采用多級(jí)帶通級(jí)聯(lián)。為了保證印制板面積,采用集成化芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。單道電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 集成化前放帶通板結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

電路主要由選通電路、前置放大電路、帶通電路以及求和電路4部分組成。其中選通電路采用模擬開(kāi)關(guān),通過(guò)微控制發(fā)送高低電平實(shí)現(xiàn)通道切換,求和電路是將3種頻率通過(guò)單運(yùn)放求和電路,實(shí)現(xiàn)3種頻率的疊加。

2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1.1 放大電路設(shè)計(jì)

為了滿足100 nV級(jí)微弱信號(hào)放大功能,有效抵制噪聲,前置放大電路由2級(jí)放大電路構(gòu)成,為方便計(jì)算臨時(shí)設(shè)置的電路參數(shù)見(jiàn)圖2。第1級(jí)放大電路包含深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路,具有高輸入阻抗的特點(diǎn)。由于U1A、U2A選用相同特性的運(yùn)放,它們的共模輸出電壓和漂移電壓都相等,再通過(guò)U3A組成的第2級(jí)差分式放大電路,進(jìn)行相互抵消,具有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓[5-6]。

圖2 前置放大電路仿真原理圖

2.1.2 增益倍數(shù)計(jì)算

差分放大電路由2級(jí)差分電路構(gòu)成,其中由U1A、U2A構(gòu)成第1級(jí)差分電路,U3A構(gòu)成第2級(jí)差分電路。下面為增益計(jì)算[7]。

由于Vin+與Vin-分別加到U1A、U2A的同相正端,R3、R4和R5組成反饋網(wǎng)絡(luò),并引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋。把U1A、U2A看成理想運(yùn)放,根據(jù)虛短虛斷思想,有

VR5=Vin+-Vin-

(1)

(2)

從而有第1級(jí)增益為

(3)

第2級(jí)放大電路由減法器構(gòu)成,有

(4)

圖3 MAX274內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

設(shè)R6=R7與R8=R9,從而得第2級(jí)增益為

(5)

兩級(jí)總增益為

(6)

假設(shè)R3=R4=2.45 kΩ,R5=100 Ω,R7=50 Ω,R9=500 Ω,帶入公式計(jì)算得總增益A=500。

2.2 帶通濾波電路設(shè)計(jì)與仿真

2.2.1 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

帶通濾波電路以MAX274為核心,添加相關(guān)輔助電路,實(shí)現(xiàn)多級(jí)帶通電路[8]。MAX274內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

其主要特點(diǎn):①包含4個(gè)互相獨(dú)立的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的二階濾波單元,這4個(gè)二階濾波器單元可以進(jìn)行串聯(lián)組合,達(dá)到更好的濾波效果;②只需外接少量電阻實(shí)現(xiàn)150 kHz以下的各種高通、低通以及帶通濾波;③每個(gè)單元的中心頻率f0、Q值,放大倍數(shù)均可由其外接電阻R1～R4的設(shè)計(jì)來(lái)確定。

MAX274是一個(gè)外部電阻參數(shù)可調(diào)的有源濾波器芯片,它使用±5 V電源提,其內(nèi)有低通輸出(LPO引腳)和帶通輸出(BPO引腳),在用于帶通濾波器時(shí)用BPO作為輸出,二階節(jié)的中心頻率f0、Q值和增益由R1～R4電阻決定,當(dāng)給定了f0、Q值以及增益之后,可以根據(jù)下列公式計(jì)算出R1～R4值。

R2=2×109/f0

(7)

R3=Q×2×109×(RY/RX)/f0

(8)

R4=R2-5k

(9)

對(duì)于要設(shè)計(jì)的帶通濾波器,R1值為

R1=R3/HOBP

(10)

式中,RX和RY是濾波器內(nèi)部電阻,它們的比值由引腳FC的接法確定,可接V+、GND或V-,分別對(duì)應(yīng)比值為1/4、5和25;HOBP是用于帶通濾波時(shí)當(dāng)頻率為f0時(shí)引腳BPO輸出的增益。

帶通濾波器可以通過(guò)MAX274設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn),該軟件可以根據(jù)需要在10 Hz～150 kHz帶寬內(nèi)設(shè)計(jì)低通、帶通或高通濾波器,并可根據(jù)設(shè)計(jì)要求,即中心頻率fc、品質(zhì)因數(shù)Q、增益G確定濾波器外圍電路的電阻參考值。

濾波器設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)步驟:①由濾波器指標(biāo)確定極點(diǎn)、Q值和零點(diǎn);②完成濾波器在濾波芯片(MAX274)硬件上的實(shí)現(xiàn)。

在濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先可以根據(jù)濾波器所需要達(dá)到的性能指標(biāo),如通帶內(nèi)最大衰減,阻帶內(nèi)最小衰減,截至頻率,抑制頻率,Q值等,快速算出各類(lèi)經(jīng)典濾波器的極點(diǎn),階數(shù)和Q值。然后選擇所要設(shè)計(jì)濾波器的類(lèi)型,根據(jù)需要調(diào)整Q值以及中心頻率、階數(shù)和各級(jí)增益,最后根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行外部電阻阻值計(jì)算。

2.2.2 帶通電路設(shè)計(jì)思想

采用2個(gè)帶通濾波單元級(jí)聯(lián),來(lái)實(shí)現(xiàn)通帶增益的穩(wěn)定,如圖4所示,f1對(duì)應(yīng)第1級(jí)帶通濾波器中心頻率,f2對(duì)應(yīng)第2級(jí)帶通濾波器中心頻率,f0為兩級(jí)帶通級(jí)聯(lián)后的中心頻率。在2個(gè)濾波器中心頻率之間形成一個(gè)相對(duì)平坦的通帶,且在|BW|內(nèi),幅頻響應(yīng)關(guān)系為-1 dB<20lg|A(jw)/A0|<1 dB。

圖4 基于MAX274兩級(jí)帶通級(jí)聯(lián)示意圖

2.3 原理圖設(shè)計(jì)

將集成化電路的前置放大電路和帶通濾波電路2個(gè)主要部分進(jìn)行組合,可以實(shí)現(xiàn)4通道各道3組頻率的前放帶通設(shè)計(jì)電路,單道電路原理框圖見(jiàn)圖5。

圖5 單通道集成化前放帶通板原理框圖

3 效果測(cè)試與應(yīng)用情況

3.1 常溫性能測(cè)試

按照以上設(shè)計(jì)思路加工、焊接并調(diào)試出單板4通道3頻率小型化前放帶通板,并對(duì)單板進(jìn)行測(cè)試,檢驗(yàn)其功能特性。測(cè)試輸入端接信號(hào)源,同時(shí)信號(hào)源的一端要求與供電電源的地線連接。信號(hào)源輸出信號(hào)幅度為10 mV,頻率分別為26、52 kHz和105 kHz,經(jīng)過(guò)電路板后,通過(guò)示波器測(cè)試輸出端的信號(hào)幅度,以CH2道測(cè)試為例,測(cè)試數(shù)據(jù)與波形見(jiàn)表2和圖6。

圖6 集成化前放帶通板CH2道單板輸出測(cè)試數(shù)據(jù)波形

表2 集成化前放帶通板CH2道單板輸出測(cè)試數(shù)據(jù)

從單板測(cè)試波形來(lái)看(測(cè)試工具TDS3054C示波器),記錄數(shù)據(jù)中顯示,中心頻率為f0±2 kHz范圍內(nèi)信號(hào)幅度不變(27 kHz處有-0.3 dB變化)。中心頻率準(zhǔn)確,通帶內(nèi)波形平坦,符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 溫度性能測(cè)試

以單邊陣列感應(yīng)電路系統(tǒng)[9]為基礎(chǔ),采用ACME采集顯示軟件,觀察陣列感應(yīng)各個(gè)陣列電導(dǎo)率變化情況。將小型化前放帶通板通過(guò)延長(zhǎng)線接入系統(tǒng),用烘箱對(duì)單板進(jìn)行加溫。烘箱溫度升至175 ℃,所有曲線呈線性變化,且電導(dǎo)率變化均小于1 mS/m(見(jiàn)圖7)。電導(dǎo)率低于1 mS/m變化,意味著電阻率以1 000 Ω·m以上的變化幅度才會(huì)有所體現(xiàn),這種地層在實(shí)際地質(zhì)中幾乎不存在,說(shuō)明本前放帶通板對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有負(fù)面貢獻(xiàn),該板溫度性能穩(wěn)定可靠[10]。

圖7 集成化前放帶通板溫度試驗(yàn)

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

將小型化預(yù)處理板接入某感應(yīng)測(cè)井儀系統(tǒng),通過(guò)了加溫試驗(yàn)、線性刻度以及標(biāo)準(zhǔn)井標(biāo)定試驗(yàn),并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了廣泛試驗(yàn),通過(guò)了長(zhǎng)慶油田勘探部的驗(yàn)收。目前該電路板隨儀器投產(chǎn)了近40套,儀器性能穩(wěn)定可靠。

小型化預(yù)處理板相對(duì)分離器件搭建的前置放大與帶通濾波板,不僅印制板面積顯著減小(相同功能情況下,面積縮小至先前的10%),性能指標(biāo)也得到了提升,對(duì)儀器穩(wěn)定性的提高和后期的方便維護(hù)提供了保障。

4 結(jié) 論

(1) 小型化預(yù)處理板采用多種優(yōu)化技術(shù)。比如采用微弱信號(hào)分級(jí)放大、帶通電路多級(jí)級(jí)聯(lián)、模塊化對(duì)稱(chēng)布局、多通道獨(dú)立電源設(shè)計(jì)、強(qiáng)弱信號(hào)分隔設(shè)計(jì)等,減小了強(qiáng)弱信號(hào)干擾、降低了板上耦合噪聲、提高了電路板性能指標(biāo)。

(2) 小型化預(yù)處理板性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試簡(jiǎn)單、維護(hù)和使用方便,而且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定可靠,對(duì)測(cè)井儀微弱信號(hào)的預(yù)處理有一定的參考價(jià)值。

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