随钻电磁波电阻率测井仪模拟接收电路设计

2012-04-16中海油服油田技术事业部李国玉

电子世界 2012年15期

中海油服油田技术事业部李国玉

电子科技大学管国云

中海油服油田技术事业部马明学

1.引言

地层电阻率是地质导向钻井和油田地层评价必需的重要地质参数[1]。在随钻测井领域，随钻电磁波电阻率测井仪器是随钻测井仪器中的重要装置，其采用电磁波工作方式，适用于各种导电和不导电类型的钻井液，能够测量地层随着深度变化的视电阻率曲线。研制随钻电磁波电阻率测井仪对于我国油气的勘探开发工作具有重要的意义，在该仪器的电子系统中，模拟接收电路决定了整个电路信号的精度，对信号的后续处理起着先导性作用。

2.测控电路系统

随钻电磁波电阻率测井仪采用对称四个发射线圈，两个接收线圈的天线结构，并采用2MHz和400KHz信号测量地层电阻率。测控电路是随钻电阻率测井仪电路系统的核心部分，用于接收随钻系统中控电路指令，控制仪器工作状态；产生发射、混频信号；接收并采集、处理接收线圈信号，并最终获得与地层介质电阻率相关的相位差和幅度比信息。

随钻电磁波电阻率测井仪测控电路系统的整体方案框如图1所示，其利用DDS作为信号源，以保证发射信号和本振信号拥有足够的稳定度，来自接收线圈的2路信号，被电路经过超外差的方式接收并处理后，送至ADC进行数字量化。DSP处理器控制2个ADC完成两路中频信号的采集，ADC采集所需的同步时钟由DDS或者DSP的PWM模块提供。DSP在ADC完成采集后，从SPI串行总线读取数据，利用DPSD算法完成信号处理，获取各线圈信号的实部与虚部。在完成一个测量周期后，综合收、发组合得到的数据，计算出随钻电阻率测井所需的幅度比与相位差信息，并将测量结果及时传送至主控板。

模拟接收电路主要指前置低噪声放大电路，混频、滤波电路，可编程放大电路，低通滤波电路组成，标示于图1的椭圆形框中。接收电路首先对信号进行低噪声放大，在放大到足够的幅度之后，利用混频器将高频信号（2MHz或者400KHz）转换成6KHz的中频信号，再经过低通滤波器滤除不必要的频率成分，最后经过放大滤波后送至ADC进行数字量化。

3.模拟接收电路设计

3.1 前置低噪声放大电路

低噪声放大器的目的是将接收到的微弱信号进行放大，为后级混频器提供射频输入信号，低噪声放大器要求较低的噪声输出。信号频率为400KHz和2MHz，采用运算放大器放大即可。

运放放大器电路主要由运放以及电阻构成。放大器自身产生的噪声包括两部分：一部分是运放的固有噪声，包括电压噪声和电流噪声；另一部分是电阻的热噪声。为了降低放大电路本身的噪声，应选用固有噪声较低的运放，同时要进行低阻化设计。

本设计采用的运放AD829S具有较高的带宽，在放大倍数100倍时，能达到7.5MHz的-3dB带宽。以AD829S为基础采用同相放大电路[2]，如图2所示。

同相放大器的输入阻抗较高，在反馈电阻上并联电容可以构成一个一阶的低通滤波器，降低放大器的带宽，有利于提高噪声性能，且噪声分析满足要求。若要更高的增益，可以采用多级放大的方式。

3.2 混频电路设计

由于电路存在着两个工作频率，为了方便统一处理，本设计采用超外差方式，即将输入信号下混频至一个频率较低的中频6KHz再进行处理。

本设计采用的SA612A是一款廉价的基于吉伯特单元的混频器，具有较低的噪声系数，较高的灵敏度和变频增益。

图1 测控电路整体方案

图2 同相放大器构成的低噪放大电路

图3 混频器电路

图4 两种滤波电路仿真模型

图3为本设计中的混频器电路，由图可知，U1的1，2脚作为射频信号的输入端，可以作为差分输入，可以用作单端输入。为了简单起见，本设计中采用单端输入方式。可以在SA612的6，7外加电容构成电容三点式振荡器产生本振信号，但是这种方式的频率稳定度差。这里采用外加本振信号的方式，本振信号经SA612的6脚缓冲至吉伯特混频单元。

图5 两种滤波电路仿真结果

图6 利用运放和模拟开关构成的PGA

图7 高阶低通滤波器与带通滤波器幅频和相频特性

在这里，中频为6KHz，频率并不高，要实现6KHz左右的截止频率，使用上面任一种滤波器结构都是可以的。不需要的高频成分除了本振泄露出来的394KHz与1.994MHz外，还有射频与本振相加的频率成分，即794KHz和3.994MHz。图4为两种滤波器构成的巴特沃兹低通滤波器仿真电路模型，两个电路的截止频率都为10KHz。

从仿真结果可以发现，萨伦-基滤波电路的阻带特性并不好。为了获得更好的滤波效果。本方案选择多反馈滤波电路结构。

3.3 可编程放大器设计

为了调整输入信号的电平，以适应模数转换器的要求，电路中增设一级可编程放大器。本设计采用运放和模拟开关以及精密电阻的组合构成可编程放大器，其灵活性较大，可以根据实际情况制定出所需要的增益，从而制作出性能优良的可编程放大器。图6是利用运放和模拟开关构成的PGA，这种方案的噪声性能比集成的PGA要好。通过控制P1，P2，P3，P4的电平高低，就可以产生1，10，100，1000的增益，控制简单。如果需要其他增益，只需要改外围电阻值即可。由于模拟开关ADG412的导通电阻是串联在运放的反相输入端，所以可以忽略模拟开关导通电阻的影响，不影响放大器的增益精度。

3.4 抗混叠滤波器

若fs为采样频率，当信号中出现高于fs/2频率的信号时，采样出来的信号频率是原信号以fs/2为中心的镜像[3]。为了避免这种现象，必须保证信号中没有更高的频率成份。系统的中频为6KHz，经过混频器低通滤波之后，高频分量虽被衰减，但经过后级放大，高频分量会有一定程度的上升，同时放大器本身的非线性也可以产生高次谐波。本测控电路ADC的采样频率设定为24KHz，信号中若存在18KHz的信号，则经过AD采样过后18KHz信号混叠至6KHz的中频上，将影响信号处理的性能。所以需要在AD采样前先滤除这些分量。

这里可以采用高通和低通滤波两种方式，图7为两个7阶低通与带通滤波器幅频和相频特性。随着滤波器阶数的提高，相频特性越陡峭，特别是高阶的带通滤波器，带内的相位突变是比较大的。陡峭的相位特性使得在电路在参数发生细微变化时，也能产生较大的相位误差。故本方案采用的7阶低通滤波电路。