井间测井仪动态滤波电路设计与实现

刘 枭，王 俊，邹华宝，张培均，杨 雯

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.中国石油集团测井技术有限公司 陕西 西安 710077)

·开发设计·

井间测井仪动态滤波电路设计与实现

刘 枭1，2，王 俊2，邹华宝2，张培均2，杨 雯2

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.中国石油集团测井技术有限公司 陕西 西安 710077)

井间测井仪根据不同地层选择不同的工作频率，电路系统同步调整预处理电路的增益倍数和滤波电路中心频率。为了实现带通滤波中心频率的实时调整，通过几种方案对比，确定以滤波芯片MAX263为基础来设计。重点描述动态滤波电路的设计与实现，对电法类测井仪通用预处理电路的设计有较高的参考价值。

井间测井仪； 动态滤波；带通滤波

0 引 言

井间测井在地面地震与测井、油藏地质之间搭起一座相互联系的桥梁。井间测井层析成像技术可以监测流体的运移、油气饱和度变化，并且能够准确评价油藏，在老油田二次开发、提高采收率、增储上产方面发挥重要作用[1]。

井间测井仪发射电磁波在有耗介质中传播时会衰减，井间距离越大电磁场衰减越厉害，而且这种衰减与原频率以及介质电导率有关。井间距离确定后，需要根据不同地层，调整发射源工作频率，以获得最佳的测量效果。

目前国内进行深层次研究的主要有胜利油田与美国EMI公司联合研发井间电磁成像测井样机XBH2000，考虑到金属套管对电磁波信号的有很强的衰减和相位移作用，有针对性设计1Hz、5Hz至1.848kHz等10种不同的工作频率，并通过理论计算与试验确定各种套管的衰减系数。但现场应用10种工作频率不能满足最佳的测量效果,工作频率可能选择1Hz∽10kHz范围内的任何频率。套管的衰减系数需要在扫频情况下，确定各接收线圈不同频率信号大小进行标定[2]。电路系统的预处理电路，需要设计动态的带通滤波器，以明确每个频率信号的大小。本文基于此，提出动态滤波器设计并实现了扫频时动态滤波功能，作为电路系统动态滤波设计的一个参考。

1 设计目的与思想

1.1 设计目的

为满足井间测井仪数据处理需求，电路系统预处理电路要求实现微弱信号的前置放大，并在1Hz～10kHz范围跟踪滤波，即要求带通器中心频率随着发射电路的工作频率变化而变化[3]。

1.2 设计思路

同时为了抑制电路系统随温度变化引起的增益与相位偏移，输入信号由来自线圈的测量和来自电路系统的内刻信号组成，并通过选通电路来进行切换，分时进入前置放大电路和带通滤波电路。

预处理电路由三部分构成，选通电路、前置放大电路和动态滤波电路，电路设计结构如图1所示[4]。

图1 预处理电路结构框图

选通电路采用通用的两通道模拟开关来实现，前置放大电路采用经典的差分深度电压串联负反馈电路来实现，在此不再详述，下面重点描述动态滤波电路的设计与实现。

2 方案确定

2.1 开关电容跟踪滤波器

用一个开关切换来逐个地接通N个低通滤波器，实现对各个固定频率的滤波[5]。

1)原理

如果用一个开关来逐个地接通N个低通滤波器，如图2(a)所示，就可组成一个带通滤波器，其带宽为BW= 1/πNRaCa。调节Ra值和选择适当N或C值，可使滤波特性很窄。每个电容被周期地选入，选入时间是 1/Nfk，其中N是开关掷数，是开发频率fk。当输入频率fi和开关频率或开关频率的谐波相等时，则每个周期接入每个电容正好是在输入波的同一位置上，于是电容被充电到输入电压值，结果输出是一个类似于输入的阶梯波，如图2(b)所示。如果输入频率高于或低于开关频率fk，则电容选入时是处于输入波的不定位置，这时电容上的平均电压会降得很低。在V。/Vi=0.707时形成带宽BW。

图2 开关电容跟踪滤波器结构与波形

2)优缺点

该方案的优点是频率范围较宽，带宽可以做的很窄，温度性能好，而且可以通过改变开关切换的频率，来改变通带的中心频率。缺点是如果要实现扫频功能，需要提供的输入频率太多；同时模拟开关来回高频率切换带来的尖峰，会影响中心频率的准确性。

2.2 半集成度跟踪滤波器

以MF10为核心的动态滤波器，根据设计原理，只需确定输入时钟，既可确定中心频率。

1)原理

随着MOS工艺的迅速发展，由MOS开关电容和运放组成的开关电容滤波器已实现了单片集成化。半集成度滤波器的基本电路是一个如图3(a)所示的积分器，只不过其中的一个电阻R用高速开关T1、T2和C1等效而取代了。开关T1、T2由两个反相的脉冲CLK1、CLK2驱动。当CLK1为高电平CLK2为低电平时, 开关T1导通、T2截止,电容由输人信号vi充得的电荷量为C1×vi。当CLK1为低电平CLK2为高电平时，开关T1截止，T2导通，C1上的电荷传递到C2上去,一个周期Tc驱动信号相当vi通过一个等效电阻Req进行充电，Tc驱动信号如图3(b)所示，Req的大小为：

图3 开关电容跟踪滤波器结构与波形

2)优缺点

该滤波器虽然具有低通、带通、高通、陷波和全通五种滤波模式，无需外接器件，只需根据需求，确定输入时钟频率，进而决定滤波器的中心频率。但缺点是该电路中C2与C1的比值随温度变化时很难固定，导致滤波电路的中心频率不稳定，同时滤波质量无法调整，逐点控制需要耗费大量的资源。

2.3 全集成化跟踪滤波器

以MAX263为核心的动态滤波器，可以根据工作频率和工作模式来确定中心频率和品质因数，实现中心频率为0.4Hz～40kHz频率范围内的高通、低通、带通等五种滤波方式。其中，工作频率由可以由系统产生，工作模式可以由系统2根I/O线(M0和M1)来实现。在确定工作频率和工作模式后，中心频率由5根I/O线(F0～F4)来控制选择，可做到32选1；品质因数由7根I/O线(A0～A6)来控制选择，实现128选1，内部结构如图4所示。

该芯片具有动态滤波的功能，确定一个工作频率，可以实现32个相邻中心频率的滤波，并且可以控制品质因数。该芯片扩展性强，外围简单，实现方便。

图4 MAX263芯片内部结构

3 电路设计

3.1 特性分析

根据设计需求和芯片MAX263特性，确定方案的工作模式，参见图5。工作模式与工作频率的关系如图5(a)所示。

3.2 参数确定

由于井间中心频率范围是0～10kHz，针对MAX263芯片而言，在图5(b)中，根据公式fclk/fo=π(N+32)，当N在0～31范围内变化，fclk/fo变化范围为100.53～197.92；在图5(c)中，根据公式Q=64/(128-N)当N在0～127范围内变化时，Q变化范围为0.5～64。根据MAX263特性以及带通滤波的设计要求，以中心频率为16Hz、128Hz与512Hz为例，对参数设计进行说明。工作模式采用模式1，Q值选8，对应的N值为120，此时Q0=Q1=Q2=’0’，Q3=Q4=Q5=Q6=’1’。此时带多路反馈带通滤波电路模型如图6所示。

同时，根据芯片资料各阶带通滤波多路反馈电路参数表确定各反馈电阻。

设置四阶巴特沃斯带通滤波模式，确定相关参数。

由于Q=fo/BW，Q=QF=8，当fo=16 Hz时，BW=2；当fo=128 Hz时，BW=16；当fo=512 Hz时，BW=64。

根据图5(d)可以查得KQ=1.4142，QR=QF×KQ=8×1.4142=11.31，K0=2，K2=4。

选RF=1000Ω，R2=K2RF(QR/2)2=4×1000×(11.311/2)2=127.92kΩ；

R0设置总增益，R0=K0RF(QR/2)2/A=2×1000×(11.311/2)2/1=63.96kΩ；

图5 MAX263工作模式

图6 MAX263芯片外部四阶反馈电路模型

根据图5(b)，确定在模式1下，设置fclk/fo=100.53，此时M0=M1=0，F0=F1=F2=F3=F4=N=’0’。

当fo=16 Hz时，fclk=1.6kHz；当fo=128 Hz时，fclk=12.8kHz；当fo=512 Hz时，fclk=51.2kHz；

当然，在给定fclk时，通过改变F0～F4的值来改变fclk/fo的比值，来实现32个相邻的中心频率，如果再通过M0与M1改变成另一种工作模式，可以实现另外32种中心频率。

4 电路实现与测试

4.1 电路结构

整个预处理电路前置放大电路采用深度电压串联负反馈电路来实现，前级采用差分输入，次级差分输入单端输出。结合多路反馈跟踪滤波器电路实现了井间测井仪预处理电路[6]，结构如图7所示。

4.2 电路测试

准备电源、信号源(两台)、示波器以及万用表等测试设备，其中信号源提供输入时钟频率fclk和待测输入信号。

当输入时钟频率fclk为1.6kHz、工作电压幅度为5V；待测输入信号频率fo为16Hz，输入电压幅度为100mV时，测试输出信号vo=200mV。调整输入信号频率与输入时钟频率，当频率在f0两侧改变时，输出信号幅度明显减小，具体数据见表1，输出信号幅度随工作频率的变化如图8所示。

当待测输入信号频率fo为128Hz或为512Hz时，调整相应的工作频率fclk测试对应幅频响应曲线，效果与图8所示相近，不再描述。

图7 井间预处理电路原理框图

fo/Hz467891011121313.514vo/mV30527095118140170190198200201fo/Hz14.515151515.5161717171718vo/mV202201200201202200201200201202201fo/Hz18.51919.520212223242628vo/mV20019619017014111996725032

图8 预处理电路跟踪滤波电路幅频响应图

5 结束语

集成化跟踪滤波器结构简单、控制方便，以较小的资源快速实现多个中心频率的滤波扫描，并实现较高滤波质量控制。实际测试性能稳定可靠，扫频效果明显，对于井间测井仪的电路系统的应用有一定的参考价值。

[1] 栗建军．井问电磁测井原理、方法及套管对井问电磁测井影响规律的研究[D].博士学位论文，中国海洋大学，2004.

[2] 沈金松，佟文琪，房德斌．用跨井电磁波资料重现地下介质的电阻率分布[J]．石油地球物理勘探，2000，35(6)：741-750.

[3] 沈金松，孙文博，赵文杰，等．井间电磁测量数据的模拟与处理解释[J]．测井技术，2007，31(5)：417-424.

[4] 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.

[5] 邵元兴.窄频跟踪滤波器的设计及应用[J] 浙江丝绸商学院学报，1994 11(2)：43-46.

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

Design and Implementation of Dynamic Filtering Circuit for the Crosshole Logging Tool

LIU Xiao1,2, WANG Jun2, ZOU Huabao2， ZHANG Peijun2, YANG Wen2

(1.Xi′anShiyouUniversity,Xi′an,Shaanxi710065,China;2.ChinaPetroleumLoggingCO.Ltd,Xi′an，Shaanxi710077,China)

The crosshole logging tool chooses different working frequency according to different formation, and the circuit system synchronously adjusts the pretreatment circuit gain ratio and the center frequency of filtering circuit.In order to achive the band pass filter center frequency real-time adjustment, it is determined to design on the basis of the MAX263 filter chip by comparing several schemes. The design and implementation of dynamic filter circuit are emphatcally, which has higher reference value for the design of general pretreatment circuit of the electrical logging instrument.

crosshole logging tool; dynamic filtering; bandpass filtering

刘 枭，女，1982年生，工程师，硕士，从事机械、电路设计与实现工作。E-mail：lxlh1415@163.com

TE28

A

2096-0077(2016)06-0034-05

2016-07-21 编辑：马小芳)