阵列感应测井仪预处理电路小型化设计与实现

陈章龙, 陈涛, 高波, 郭用梅, 胥召, 范晓文

(中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

随着勘探开发技术的进步,测井装备逐步向小型化精细化方向发展。中国石油集团测井有限公司自主研发的EILog成套测井装备不断升级,其中快速测量型阵列感应测井仪在保证功能不变的情况下,将原长度从10 m缩短为5 m。仪器缩短不仅体现在线圈系部分,更体现在电路系统部分。其中,多频多通道微弱信号前置放大与带通滤波处理,是阵列感应测井仪电路系统缩短的关键。前置放大电路与带通滤波电路是阵列感应测井仪准确测量地层信号的基础,原阵列感应测井仪4块前置放大板和2块带通滤波板由分离器件搭建,同一时间只能处理4道数据,通过开关切换分时实现8道数据处理[1-2]。机械尺寸以“工”字型骨架52 mm宽计算,PCB印制板板长累计140 cm。新阵列感应测井仪实现8道数据同时采集处理,“工”字型骨架长度只能设计在20 cm以内。针对这一情况,本文提出集成化前置放大与带通滤波板设计思想,以分离器件印制板十分之一的面积实现了相同的功能,而且性能稳定、调试维护方便,对多通道成像测井仪器性能的提升具有参考价值。

1 设计要求与硬件结构

1.1 设计功能

原阵列感应测井仪采用分离器件搭建的4块前置放大板和2块带通滤波板,通过开关实现4道短阵列与4道长阵列之间切换,各道信号再次通过分时实现测量信号与内刻信号的放大和带通滤波预处理。新阵列感应测井仪要求以更短的机械尺寸实现8道测量信号与内刻信号的放大和带通滤波的同步处理。

1.2 设计要求

新阵列感应电路系统设计要求集成度高,稳定性好,温度性能可靠等特点。集成化前放带通板电路系统布局设计在最靠近接收探头“工字型”骨架正反各布一块板,单板长度不能大于150 mm,板宽48 mm。每块板实现4道信号的前置放大和3个频率带通滤波处理,8路信号通过一个LOG/CAL信号切换,实现对8路信号并行处理。其中,滤波处理要求每个通道要实现26、52、105 kHz这3种频率的带通滤波和增益放大处理,不同通道总增益倍数不一样,具体设计见表1。

表1 各道增益倍数

1.3 设计思路

要求在较小面积的单板上实现四通道,每个通道实现3个频率的微弱信号带通滤波处理,而且带通滤波品质因数Q较大,可以采用集成化分级设计来实现[3-4]。

针对100 nV级微弱信号的放大,电路可以采用差分输入、分级放大的思路来实现。同时,为防止运放的反馈网络自激振荡以及电压漂移,采用对称的负反馈电路。带通滤波电路针对较高的Q值且通带不小于5 kHz,可以采用多级带通级联。为了保证印制板面积,采用集成化芯片来实现。单道电路结构见图1。

图1 集成化前放带通板结构框图

2 电路设计

电路主要由选通电路、前置放大电路、带通电路以及求和电路4部分组成。其中选通电路采用模拟开关,通过微控制发送高低电平实现通道切换,求和电路是将3种频率通过单运放求和电路,实现3种频率的叠加。

2.1 前置放大电路设计与仿真

2.1.1 放大电路设计

为了满足100 nV级微弱信号放大功能,有效抵制噪声,前置放大电路由2级放大电路构成,为方便计算临时设置的电路参数见图2。第1级放大电路包含深度电压串联负反馈电路,具有高输入阻抗的特点。由于U1A、U2A选用相同特性的运放,它们的共模输出电压和漂移电压都相等,再通过U3A组成的第2级差分式放大电路,进行相互抵消,具有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压[5-6]。

图2 前置放大电路仿真原理图

2.1.2 增益倍数计算

差分放大电路由2级差分电路构成,其中由U1A、U2A构成第1级差分电路,U3A构成第2级差分电路。下面为增益计算[7]。

由于Vin+与Vin-分别加到U1A、U2A的同相正端,R3、R4和R5组成反馈网络,并引入了深度的电压串联负反馈。把U1A、U2A看成理想运放,根据虚短虚断思想,有

VR5=Vin+-Vin-

(1)

(2)

从而有第1级增益为

(3)

第2级放大电路由减法器构成,有

(4)

图3 MAX274内部结构图

设R6=R7与R8=R9,从而得第2级增益为

(5)

两级总增益为

(6)

假设R3=R4=2.45 kΩ,R5=100 Ω,R7=50 Ω,R9=500 Ω,带入公式计算得总增益A=500。

2.2 带通滤波电路设计与仿真

2.2.1 带通滤波电路设计

带通滤波电路以MAX274为核心,添加相关辅助电路,实现多级带通电路[8]。MAX274内部结构见图3。

其主要特点:①包含4个互相独立的内部结构相同的二阶滤波单元,这4个二阶滤波器单元可以进行串联组合,达到更好的滤波效果;②只需外接少量电阻实现150 kHz以下的各种高通、低通以及带通滤波;③每个单元的中心频率f0、Q值,放大倍数均可由其外接电阻R1～R4的设计来确定。

MAX274是一个外部电阻参数可调的有源滤波器芯片,它使用±5 V电源提,其内有低通输出(LPO引脚)和带通输出(BPO引脚),在用于带通滤波器时用BPO作为输出,二阶节的中心频率f0、Q值和增益由R1～R4电阻决定,当给定了f0、Q值以及增益之后,可以根据下列公式计算出R1～R4值。

R2=2×109/f0

(7)

R3=Q×2×109×(RY/RX)/f0

(8)

R4=R2-5k

(9)

对于要设计的带通滤波器,R1值为

R1=R3/HOBP

(10)

式中,RX和RY是滤波器内部电阻,它们的比值由引脚FC的接法确定,可接V+、GND或V-,分别对应比值为1/4、5和25;HOBP是用于带通滤波时当频率为f0时引脚BPO输出的增益。

带通滤波器可以通过MAX274设计软件实现,该软件可以根据需要在10 Hz～150 kHz带宽内设计低通、带通或高通滤波器,并可根据设计要求,即中心频率fc、品质因数Q、增益G确定滤波器外围电路的电阻参考值。

滤波器设计主要包括2个步骤:①由滤波器指标确定极点、Q值和零点;②完成滤波器在滤波芯片(MAX274)硬件上的实现。

在滤波器设计过程中,首先可以根据滤波器所需要达到的性能指标,如通带内最大衰减,阻带内最小衰减,截至频率,抑制频率,Q值等,快速算出各类经典滤波器的极点,阶数和Q值。然后选择所要设计滤波器的类型,根据需要调整Q值以及中心频率、阶数和各级增益,最后根据这些参数进行外部电阻阻值计算。

2.2.2 带通电路设计思想

采用2个带通滤波单元级联,来实现通带增益的稳定,如图4所示,f1对应第1级带通滤波器中心频率,f2对应第2级带通滤波器中心频率,f0为两级带通级联后的中心频率。在2个滤波器中心频率之间形成一个相对平坦的通带,且在|BW|内,幅频响应关系为-1 dB<20lg|A(jw)/A0|<1 dB。

图4 基于MAX274两级带通级联示意图

2.3 原理图设计

将集成化电路的前置放大电路和带通滤波电路2个主要部分进行组合,可以实现4通道各道3组频率的前放带通设计电路,单道电路原理框图见图5。

图5 单通道集成化前放带通板原理框图

3 效果测试与应用情况

3.1 常温性能测试

按照以上设计思路加工、焊接并调试出单板4通道3频率小型化前放带通板,并对单板进行测试,检验其功能特性。测试输入端接信号源,同时信号源的一端要求与供电电源的地线连接。信号源输出信号幅度为10 mV,频率分别为26、52 kHz和105 kHz,经过电路板后,通过示波器测试输出端的信号幅度,以CH2道测试为例,测试数据与波形见表2和图6。

图6 集成化前放带通板CH2道单板输出测试数据波形

表2 集成化前放带通板CH2道单板输出测试数据

从单板测试波形来看(测试工具TDS3054C示波器),记录数据中显示,中心频率为f0±2 kHz范围内信号幅度不变(27 kHz处有-0.3 dB变化)。中心频率准确,通带内波形平坦,符合设计要求。

3.3 温度性能测试

以单边阵列感应电路系统[9]为基础,采用ACME采集显示软件,观察阵列感应各个阵列电导率变化情况。将小型化前放带通板通过延长线接入系统,用烘箱对单板进行加温。烘箱温度升至175 ℃,所有曲线呈线性变化,且电导率变化均小于1 mS/m(见图7)。电导率低于1 mS/m变化,意味着电阻率以1 000 Ω·m以上的变化幅度才会有所体现,这种地层在实际地质中几乎不存在,说明本前放带通板对系统几乎没有负面贡献,该板温度性能稳定可靠[10]。

图7 集成化前放带通板温度试验

3.3 现场应用情况

将小型化预处理板接入某感应测井仪系统,通过了加温试验、线性刻度以及标准井标定试验,并在现场进行了广泛试验,通过了长庆油田勘探部的验收。目前该电路板随仪器投产了近40套,仪器性能稳定可靠。

小型化预处理板相对分离器件搭建的前置放大与带通滤波板,不仅印制板面积显著减小(相同功能情况下,面积缩小至先前的10%),性能指标也得到了提升,对仪器稳定性的提高和后期的方便维护提供了保障。

4 结 论

(1) 小型化预处理板采用多种优化技术。比如采用微弱信号分级放大、带通电路多级级联、模块化对称布局、多通道独立电源设计、强弱信号分隔设计等,减小了强弱信号干扰、降低了板上耦合噪声、提高了电路板性能指标。

(2) 小型化预处理板性能稳定、结构清晰、调试简单、维护和使用方便,而且现场应用稳定可靠,对测井仪微弱信号的预处理有一定的参考价值。

参考文献:

[1] 汤天知, 陈鹏, 陈文辉. EILog快速与成像测井系统 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2014.

[2] 郭海敏生产测井导论 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2003.

[3] 汤天知, 陈涛, 周凯波, 等. MIT阵列感应测井微弱信号检测采集系统设计 [J]. 测井技术, 2008, 32(6): 584-588.

[4] 张冬玲, 王良红. 基于DSP的微弱信号检测采集系统设计 [J]. 微计算机信息, 2005, 21(7): 87-88, 141.

[5] 康华光, 陈大钦, 张林. 电子技术基础 [M]. 北京: 高等教育出版社, 1999: 329-375.

[6] 戴逸松. 微弱信号检测方法与仪器 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1994.

[7] 高晋占. 微弱信号检测 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 69-137.

[8] 陈章龙, 陈涛, 宋青山, 等. MAX274在多频阵列感应成像测井仪中的应用 [J]. 测井技术, 2010, 34(1): 94-97.

[9] 陈涛, 陈章龙, 宋青山, 等. 快测平台单边阵列感应成像测井仪MIT1530研制与应用 [J]. 测井技术, 2015, 39(1): 83-88.

[10] 张建华, 刘振华, 仵杰. 电法测井原理与应用 [M]. 西安: 西北大学出版社, 2002.