一种基于AD7356的超声反射测井全波列数字化方案*

孟丽杰 余厚全 魏 勇 周启成

(1.长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023； 2.长江大学石油工程学院 湖北 武汉 430100)



·开发设计·

一种基于AD7356的超声反射测井全波列数字化方案*

孟丽杰1余厚全1魏 勇1周启成2

(1.长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023； 2.长江大学石油工程学院 湖北 武汉 430100)

提出了一种基于AD7356的测井信号数字化方案。经过电路设计开发和实验测试，表明该设计方案具有体积小、功耗低、精度高，速度快等优点，并能在高温环境下稳定工作，很好地满足声波测井信号井下数字化和相关应用的要求。

声波测井；FPGA；数据采集

0 引 言

为了提高测井的效率，准确、直观、完整地获取和显示井下地层的信息，当今测井技术正朝着成像化、陈列化、组合式方向发展。这就意味着井下仪器装配的探测器越来越多，检测信号的通道越来越多，需要数字化的信息越来越多，要求量化的精度越来越高，量化的速度越来越快。归结起来，测井技术的发展对井下数字化部件的要求具有如下特点：精度高，速度快，功耗低，体积小，稳定性好。因此，在井下仪器的研发过程中，高性能、高集成度的数字化部件的设计与实现就尤为重要[1]。本文根据井下仪器数据采集特点的要求，选择AD7356集成芯片，以超声反射测井信号数字化为应用实例，进行信号数字化模块的设计与实现。

1 AD7356数字化芯片介绍

AD7356是Analog Device公司生产的一款双通道、高速、高精度、低功耗高集成度的逐次逼近型ADC芯片。该芯片配有两个全差分模拟输入对、2个片上差分采样保持放大器、2个逐次逼近型ADC、2个串行数据输出接口。其功能框图如图1-(a)所示。

芯片采用2.5 V单电源供电，转换精度12位，转换速率高达5 MSPS。在最高吞吐速率下，典型功耗为14 mA。芯片具有部分掉电和完全掉电两种休眠模式，在完全掉电模式下，典型功耗为5 μA。由于采用串行数据输出，芯片对外引脚只有16脚，且采用超薄紧缩小型封装(TSSOP)，芯片的长宽厚为6.4 mm×5.1 mm ×1.2 mm，体积小，与其它解决方案相比，非常节省空间。工业级芯片的标称工作温度范围为-40℃～+125℃，实际可工作到135℃，且经过封装改进，在170℃的环境下可稳定工作。

芯片的转换过程和数据采集过程均采用标准控制输入，简单方便，极易与外部微处理器或DSP接口。芯片在片选信号下降沿对输入信号进行采样，同时在此时刻开始转换。转换时间由SCLK频率决定，转换结果分别从两路串行接口输出。转换的控制时序如图1-(b)所示。

图1 AD7356功能框图和工作时序

综上，AD7356精度高、速度快、功耗低、体积小、温度性能好，是目前同类同系列的ADC中综合性能最好的器件，能够满足目前石油测井井下仪器绝大部分信号的数字化需求，为井下测井信号的数字化提供了可选的解决方案。

2 基于AD7356的超声反射测井全波列数字化模块设计

在实际应用中，超声反射测井主要是超声反射井壁成像(井下超声电视)和超声反射固井质量检测。常规的井下超声电视测井是井壁回波首波峰值数字化，超声反射固井质量检测则是对回波的全波列数字化。图2是将两者合二为一的数字化解决方案。整个方案由超声发射电路、接收电路、数字化电路和数字信号处理模块四部分组成。超声发射电路激励换能器发射超声波，接收到的反射回波进入前置放大滤波器和可控增益放大器。放大滤波后的信号先进行电平转换，再送入AD转换器对全波列信号进行数字化。然后对信号进行处理，在超声电视模式下进行回波首波峰值和到达时间提取，固井质量检测模式下进行全波列信号的胶结特征提出。最后把数据存储或上传[2]。

图2 超声电视和超声固井质量检测设计方案

方案采用1MHz频率的超声换能器，横向扫描速率为5圈/s，横向分辨率为256点/圈，故AD采样频率设计为4 MHz，每点的回波序列最多可采集3 000个样本。

设计的数字化模块主要由前置放大滤波器、电平极性转换电路、A/D转换电路和FPGA逻辑控制电路组成。其原理框图如图3所示。

图3 数字化采集模块原理框图

2.1 前置放大滤波电路

前置放大和程控放大直接采用AD8336。它由前置放大、衰减网络和固定增益放大三部分组成，是一款低噪声、高共模抑制比、具有外部压控增益功能的放大器。通过在前置放大器的输入端与输出端之间串入不同值的反馈电阻，可获得不同的前置放大增益；通过在前置放大器的输出端和衰减网络的输入端串入有源滤波器，实现对输入信号的高低通滤波；通过控制衰减网络的增益控制电压，实现电路对信号的不同增益放大，其增益的调整动态达60 dB。实现方案在AD8336的前置放大器和衰减网络之间串入由两个AD8610构成的二阶高通、低通滤波电路，以滤除信号中的无效成分；通过调整衰减网络的压控电压，使得最终的信号电压在AD转换器的最佳量程范围之内[3]。

2.2 极性转换电路

由于AD7356为单极性、差分输入的AD转换芯片，对于AD8336的双极性单端输出信号而言，需要进行电平转换。综合带宽、温度和功耗等性能考虑，选用AD8137。它可将输入的单端、双极性信号转换为差分、单极性信号。AD8137的正负输出端通过一对串联电阻分别与ADC的相应输入端相连，从而使ADC前端的开关电容的影响最小。

2.3 AD转换电路

AD转换由AD7356完成。它对模拟输入的采样是在采样时钟输入的下降沿进行的，同时在此刻开始转换，转换时间由采样时钟频率决定。本系统设计的转换速度为4 M。AD7356 在采样时钟ad_clk(时钟)的驱动下，进行AD转换。

AD7356控制逻辑由FPGA产生，方案选用Altera公司推出的Cyclone IV系列芯片EP4CE10E22C8N。采样频率设计为4 MHz，AD 转换的时钟由外部72 MHz晶振经过FPGA 内部分频后产生[4]。

AD7356以标准的串行SPI接口将数据输出。在片选信号ad_cs有效(低电平)的情况下，需要利用14个时钟信号的下降沿，将转换结果输出。因此，在FPGA中，需要设计一个标准的SPI接口，用以接收ADC的转换结果。包括三根信号线：ad_clk、ad_data(数据)和ad_cs(片选信号)。当FPGA在ad_clk上给出时钟信号，并且使ad_cs信号为低电平时，将启动一次转换过程，当ad_cs回到高电平时，转换结束。AD转换和FPGA逻辑控制电路框图如图4所示。

图4 AD转换和FPGA逻辑控制电路框图

3 实验结果

按照上述设计方案，开发实现了基于AD7356的数字化实验电路板，如图5(a)所示。经过实验测试，在155℃高温条件下，对主频为1 MHz的超声回波信号进行采样和数字化，实验板数字化结果通过通信接口上传到上位机。上位机上显示的回波数字波形如图5(b)所示，波形稳定。

图5 基于AD7356的数字化实验电路板和回波数字波形

4 结束语

本文提出了一种基于AD7356模数转换芯片、采用FPGA—EP4CE10进行逻辑控制的测井井下信号数字化的解决方案。经过电路开发，实验板在155℃的高温实验箱中测试，速度、精度和温度指标均达到井下应用的要求，并能够在高温环境下连续稳定工作5 h以上。通过分析上位机得到的声波测井曲线能够实现对轻质水泥套管胶结质量的检测，形成套管井内壁状态和套管外水泥胶结状态的监测和评价。因此，该方案具有数据转换速度快、精度高、功耗低、集成度高的特点，尤其适合于井下具有温度高、空间小、功耗低要求的信号数字化，为保障油井安全生产、提高油气采收率提供先进有效的技术手段。

[1] 杨永侠，李亚炜.基于FPGA高速数据采集与传输的声幅测井系统[J].电子科技，2011,24,(12):42-44

[2] 鲁 放，高红军，李 剑.高性能超声电视成像测井仪[J].测井技术，2009,33,(3): 30-32

[3] 方奕乐,李孟春,强爱民,等.多功能超声测井仪井下控制系统设计[J].石油天然气学报,2006,28,(6):81-84

[4] C Morres,L.Sabbagh,Schlumberger,R.Application of Enhanced Ultrasonic Mesurements for Cement and Casing Evaluation[ C ].SPE/IADC Drilling Conference.2007，paper R.

A Full Waveform Digitization Program of Ultrasonic Logging Based on AD7356

MENG Lijie1YU Houquan1WEI Yong1ZHOU Qicheng2

(1.SchoolofElectronicInformation,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China；2.SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,HuBei430100,China)

This paper proposes a logging signal digitization scheme based on AD7356.After the circuit design,development and experimental testing，the result shows that the scheme has the advantages of small size,low power consumption,high precision,high speed,etc.Moreover,it can work stably at high temperature and meets the demand for the downhole sonic logging signal digitization and related applications.

Sonic logging,FPGA,Data acquisition

国家科技重大专项底层评价随钻测井技术与装备超声井径随钻测井仪研究(2011ZX502-002)

孟丽杰，女，1991年生，硕士研究生，现就读于长江大学电子信息学院电子与通信工程专业，研究方向为声波测井仪器。E-mail：372745415@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2015)02-0018-03

2014-10-24 编辑：姜 婷)