張全文，于增輝，張志剛，張延峰

(中海油田服務股份有限公司 北京 101149)

·開發(fā)設計·

油基泥漿電成像測井儀器微弱電流檢測電路設計*

張全文，于增輝，張志剛，張延峰

(中海油田服務股份有限公司 北京 101149)

針對油基泥漿電成像測井儀器電流信號微弱、信號數(shù)量多、動態(tài)范圍大的特點，設計了一種基于CPLD的微弱電流信號檢測電路。結合微弱電流信號的特點主要討論了低噪聲流壓轉換電路的設計、放大濾波電路的設計及電路噪聲的計算方法。設計中由CPLD實現(xiàn)模數(shù)轉換電路的時序控制，電路最終完成26路信號有序的采集操作。實踐表明，該電路能夠穩(wěn)定可靠地工作，達到了井下儀器信號采集的要求。

微弱電流檢測；電流電壓轉換；濾波電路；噪聲計算

0 引 言

測井技術依據(jù)電、聲、核、磁等各種物理原理，采用先進的電子技術和信息處理技術，采集豐富的地下信息，為石油勘探開發(fā)提供極為重要的資料。而對于電法測井儀器，需要通過測量電流、電壓等參數(shù)獲取地層的電阻率信息，從而可以根據(jù)電阻率信息計算出地層含油飽和度，或者是根據(jù)地層電阻率變化來呈現(xiàn)地層圖像，豐富地層解釋資料。目前，電法測井技術向著探測器布置的陣列化與集成化、信號采集高速數(shù)字化、工作頻率和幅度可控化等方向發(fā)展。但是，對于高電阻率的地層，往往只有納安級的電流信號，而對于低電阻率的地層，具有毫安級的電流信號。這種電流信號弱、動態(tài)范圍寬的特點，不利于電法測井新技術的應用。為有效檢測這種微弱信號，本文從多個方面闡述提高信噪比的方法，實現(xiàn)陣列化采集多路微弱電流的電路設計。

1 電路總體設計

微弱電流檢測電路用于接收動態(tài)范圍達95 dB的頻率為1 MHz的正弦模擬信號，完成26路電流小信號的放大、濾波功能，并利用CPLD控制模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換，最后將模數(shù)轉換結果通過串口傳送給信號處理模塊。

微弱電流檢測電路硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 微弱電流檢測電路硬件原理框圖

CPLD芯片通過同步串口接收上位機的命令。CPLD接收到命令后設置相應的工作狀態(tài)，即內測試或測井狀態(tài)。電流檢測電路開始進入信號采集階段，該階段中要同時采集兩路電流信號，每路電流信號都要經(jīng)過電流轉換成電壓，電壓信號再經(jīng)過兩路增益放大，即低增益放大和高增益放大，這兩級增益信號要在模擬開關的配合下被分時采集。單片機控制前端模擬開關，每次選擇兩路信號，共完成13次開關切換，實現(xiàn)26路信號的采集操作，同時CPLD會將每次采集的數(shù)據(jù)以1 Mb/s的速率發(fā)送到上位機。設計中將每路的高、低增益信號都進行了采集，當信號過小時，數(shù)據(jù)處理算法可以選用高增益的數(shù)據(jù)，相反，則選擇低增益的數(shù)據(jù)。雖然增加了設計的硬件復雜度，但卻高效率的完成整個動態(tài)范圍內的信號檢測。由于不同通道的增益電路會有誤差，設計中還可以產(chǎn)生標準的刻度信號，從而完成各個通道的增益進行刻度，使得各個通道的增益保持一致。

2 電流電壓轉換電路的設計

常用的電流轉換電壓的方法是直接在被測電路中串入精密電阻，通過采集電阻兩端的電壓來實現(xiàn)電流電壓的轉換，這種方法的優(yōu)點是測量簡單方便。但當被測電流很小，且被測電路中串入的電阻阻值又較小時，從電阻上取得的電壓值可能太小，影響轉換準確度。而另一種結合運算放大器的電阻反饋法和電容反饋法的流壓轉換電路，在轉換精度方面有了較大的提高。其中電阻反饋法又分為單電阻反饋法和T型電阻反饋法等。但是T型電阻反饋法電路復雜，電容反饋法會因為信號中含有直流成分易使輸出電壓飽和。本采用結合運算放大器的單電阻反饋法電路實現(xiàn)電流電壓的轉換。

流壓轉換電路的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 流壓轉換電路的硬件原理圖

微弱電流信號檢測電路對流壓轉換電路的設計有很高的要求，如果流壓轉換電路產(chǎn)生較大噪聲，該噪聲就會被后級放大電路進行放大，從而降低信噪比，影響信號的檢測。而要減小流壓轉換電路的總輸出噪聲，就要減小噪聲增益和運算放大器的噪聲。圖2信號源V1為電壓源，電阻Rt模擬地層電阻，其中電容C1的作用是進行相位補償，防止電路自激，同時起到抑制高頻噪聲的作用，電容C2有抑制低頻噪聲和隔除直流電的作用，R2是反饋電阻，R1是模擬開關導通時的等效電阻。模擬地層電阻Rt遠大于R1、R2、R3，計算中可以不考慮。如果沒有電阻R3，則此時的流壓轉換電路的噪聲增益為GN=1+R2/R1，反饋電阻R2至少為幾k歐姆，由于開關導通電阻比較小，這樣噪聲增益必然會很大，不利于信號的檢測。當在模擬開關的輸入端接入與R2相同級別阻值的R3電阻，此時電路的噪聲增益為GN=1+R2/(R1+R3)，這樣就極大的降低了電路噪聲增益。經(jīng)過軟件仿真和實際電路驗證，電阻R3的作用的確降低了電路噪聲，從而影響信號的檢測。并且，選擇合適的電容C2和C1，可以使電路具有較小的信號帶寬，有利于噪聲的抑制。同時，設計中選用于流壓轉換的運算放大器為LT1128芯片，該芯片具有適合于流壓轉換的三個特性：即有較小的輸入偏置電流、輸入偏置電壓以及噪聲。對于噪聲特性會在噪聲計算部分進行詳細討論。

3 放大與濾波電路設計

濾波器的作用是從各種頻率成分的模擬信號中，只允許必要的信號通過，而將不需要的信號濾除，從而達到抑制干擾的目的[1]。本文設計了兩級增益放大濾波電路，每一級放大電路都是一個帶通濾波電路。其中，低增益放大電路與高增益放大電路結構不完全一樣，低增益放大電路多了一個反饋電阻，目的是設計合適的帶寬，有利于后級高增益放大電路的設計。

放大與濾波電路的原理圖如圖3所示。

圖3 放大與濾波電路原理圖

其中運算放大器U1A、U1B選用的是OPA2211。U1A的輸出為低增益輸出，放大倍數(shù)為1倍，U1B的輸出為高增益輸出，放大倍數(shù)為100倍。U1A、U1B的外圍電路都分別構成二階有源帶通濾波器[2]。

低增益放大電路的系統(tǒng)函數(shù)為：

(1)

高增益放大電路的系統(tǒng)函數(shù)為：

(2)

在濾波器理論中，常將二階帶通濾波系統(tǒng)函數(shù)表示成如下形式[3]：

(3)

以高增益放大濾波電路為例，該電路的中心頻率f0，品質因數(shù)Q，帶寬BW，放大增益G的計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)式(4)～式(7)，設計中，先是大致確定電阻值，使其滿足電路的增益關系，調節(jié)電容值，使其滿足電路的中心頻率，然后再微調電阻和電容值，使其滿足電路帶寬和品質因數(shù)等要求。由于電阻會產(chǎn)生熱噪聲，所以設計中選用阻值盡量小的電阻，減少對信號的干擾。

4 噪聲計算

電流電壓轉換電路選用運算放大器LT1128實現(xiàn)流壓轉換。根據(jù)LT1128的數(shù)據(jù)手冊可知，該芯片的電流噪聲密度In1、電壓噪聲密度en1。流壓轉換電路的輸出噪聲主要由五部分構成，即電壓噪聲密度en1、電流噪聲密度In1、電阻R1的熱噪聲e1、電阻R2的熱噪聲e2、電阻R3的熱噪聲e3。設計的流壓轉換電路信號帶寬B1=6.8 kHz，，噪聲增益GN=1.5，則流壓轉換電路的輸出噪聲et1為：

(8)

低增益放大濾波電路的運算放大器選用的是OPA2211芯片，根據(jù)LT1128的數(shù)據(jù)手冊可知該芯片的電壓噪聲密度en2、電流的噪聲密度In2。噪聲增益為1，信號帶寬B2=6.62 kHz。而低增益放大濾波電路的輸出噪聲[4]由六部分構成，即則流壓轉換電路的輸出噪聲et1，電壓噪聲密度en2、電流噪聲密度In2、電阻R4的熱噪聲e4、電阻R5的熱噪聲e5、電阻R6的熱噪聲e6。低增益放大濾波電路的輸出噪聲et2為：

(9)

而高增益放大濾波電路的噪聲增益為100，信號帶寬B3=1.53 kHz，同理，可得高增益放大濾波電路的輸出噪聲et3=0.55mV

根據(jù)式(8)、(9)可知，電路的噪聲增益對輸出噪聲的影響非常明顯。例如，流壓轉換電路中的電阻R3為10 Ω，則流壓轉換電路的噪聲增益就會增加很大，電路的輸出噪聲就會明顯提高。同時，設計中還盡量減小電路的信號帶寬，選用較小的電阻值等，以減弱電路中的噪聲。

5 測試結果分析

除了上述討論的減小噪聲，提高信噪比的各種措施以外，降低電源噪聲，也是不可忽視的手段。其中，不僅在電源的設計中，要盡量減小噪聲，還要注意電源的傳輸過程中引起的噪聲。同時，要減少模擬信號的傳輸路徑，盡可能的把模擬信號數(shù)字化，從而減少模擬信號被干擾的途徑。電路沒有優(yōu)化時，且沒有加入輸入信號時采集的噪聲數(shù)據(jù)見表1，其中數(shù)據(jù)為模數(shù)轉換器的量化結果。綜合各種減小噪聲因素，對電路進行優(yōu)化后采集的噪聲數(shù)據(jù)見表2。

表1 電路優(yōu)化前采集的噪聲

表2 電路優(yōu)化后采集的噪聲

同時，模擬地層電阻R在10 kΩ～100 MΩ范圍內線性變化時，電路可以檢測到表3所示的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)為模數(shù)轉換器的量化結果。將模擬地層的電阻R和電流數(shù)據(jù)I進行取對數(shù)，縮小數(shù)據(jù)范圍后，可以得到檢測電流與模擬電阻的關系圖，得到擬合直線與原始數(shù)據(jù)幾乎重合，設計的電路可以在整個動態(tài)范圍內具有良好的線性特性。

表3 模擬地層電阻與電流數(shù)據(jù)的對應關系

6 結束語

根據(jù)油基泥漿電成像測井儀器的信號檢測需求，設計了一種基于CPLD的微弱電流信號檢測電路。實驗結果表明，該電路可以實現(xiàn)多路微弱、大動態(tài)范圍的電流信號的檢測。并且該電路可以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作，通過了油田現(xiàn)場作業(yè)的實驗，滿足實際作業(yè)的要求。

[1] 彭 軍. 運算放大器及其應用[M].北京:科學出版社,2008:45-46.

[2] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].劉樹棠，譯.西安:西安交通大學出版社,2010:30-32.

[3] 鄭君里. 信號與系統(tǒng)(第二版,上冊)[M].北京:高等教育出版社,2000:55-57.

[4] 王林濤.低噪聲光電檢測電路的設計和噪聲估算[J].武漢理工大學學報,2001,23(1)：32-34.

Design of the Weak Current Signal Detection Circuit for Oil-base Mud Electric Imaging Logging Tools

ZHANG Quanwen， YU Zenghui， ZHANG Zhigang， ZHANG Yanfeng

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing，101149，China)

The weak current signal detection circuit is designed based on CPLD with view to the problems of weak and wide dynamic range of the current signals for oil-base mud electric imaging logging tool. Combining the characteristics of a weak current signal flow, the design of low-noise voltage converter circuit, amplifying filtering circuit and the calculation method of circuit noise are mainly discussed. The timing control of analog-digital conversion circuit is realized by CPLD, the circuit ultimately completes the orderly operation of 26-channel signals acquisition. The practice shows that the circuit can work stably and reliably, meet the requirements of downhole instrument signal acquisition.

weak current detection; current-voltage conversion; filter circuit; noise calculation

大型油氣田及煤層氣開發(fā)科技重大專項(三維聲波、油基泥漿電成像、二維核磁成像測井技術與裝備 編號：2011ZX05020-005)

張全文，男， 1982年生，工程師，2009年畢業(yè)于電子科技大學(成都)測試計量技術及儀器專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事電法測井儀器設計與維修工作。E-mail：zhangqw7@cosl.com.cn

P631.8+

A

2096-0077(2017)01-0029-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.007

2016-06-07 編輯：高紅霞)