基于LF398的超声成像测井仪峰值检测模块设计

孟丽杰 李晨冉

摘要：在石油开采过程中，井下超声电视成像测井仪可以直观地观察井壁和套管状况。然而，井下工作环境存在钻井液密度大、温度高、压力大等复杂状况，容易引起测井时回波信号衰减严重、电视成像效果不佳等问题。针对上述问题，设计了一种基于LF398的超声成像测井仪回波峰值检测模块。经过电路设计开发、实验与测试，基于LF398的峰值检测模块精确度高、成像效果佳、功耗低，优点显著，能准确地提取回波信号的峰值幅度，达到了井下超声成像测井仪对峰值检测电路的要求，很好地完成了超声成像测井仪的数据采集与处理任务。

关键词：超声成像；测井仪器；数据采集；LF398

中图分类号：P631.83文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）35-0021-03

Design of Peak Detection Module of Ultrasonic Imaging Logging Tool Based on LF398

MENG LijieLI Chenran（Puyang Petrochemical Vocational and Technical College，Puyang Henan 457001）

Abstract： In the process of oil exploitation， the downhole ultrasonic television imaging logging tool can be used to vi？ sually observe the condition of borehole wall and casing. However， the downhole working environment has complex conditions such as high drilling fluid density， high temperature and high pressure， which leads to serious attenuation of echo signal and poor TV imaging effect during logging. To solve the above problems， this paper designs an echo peak detection module of ultrasonic imaging logging tool based on IF398. Through circuit design and development， experiment and test， it shows that the peak detection module based on IF398 has high accuracy， good imaging effect， low power consumption and significant advantages. It can accurately extract the peak amplitude of echo signal， which meets the requirements of downhole ultrasonic imaging logging tool for peak detection circuit， and completes the data acquisition and processing task of ultrasonic imaging logging tool.

Keywords： ultrasonic imaging；logging tool；data acquisition；LF398

隨着油气勘探开发向深部地层发展，测井仪器面临着井下高比重钻井液、高压力、超高温等复杂工况，测井技术存在成像效果不佳、使用性能差、功耗较大等问题。为了使井下井壁的信息能够更加直观、完整、清晰、准确地呈现在地面仪器上，随着测井技术的不断发展，测井仪器也朝着高精度、高集成度、低功耗的方向不断地完善更新。因此，设计一个更加精确的峰值检测模块，实时、清晰、准确地对微弱信号进行检测和采集是当前测井仪器的开发重点。以LF398集成芯片为主体，根据超声成像测井仪回波信号采集特点的要求，对峰值检测模块进行了设计，实现了超声测井信号数字化成像的应用[1]。

1LF398芯片介绍

作为一种高性能的单片采样保持器，LF398具有直流精度高、采样时间短、下降速度慢等特点。通过连接适配的外接保持电容，可以使LF398的动态性能和保持性能达到最佳状态。LF398芯片由输入缓冲级单元、输出驱动级单元和控制电路单元3部分构成。如图1所示在控制电路中，A3的功能是比较器，引脚7作为参考电压来使用，当逻辑控制输入电压比参考电压高时，产生一个低电平信号。开关K在该低电平信号的驱动下会关闭，同时输入信号进入A1，然后从A2输出，第6引脚作为保持电容不断地被充电。当逻辑控制输入电压比参考电压低时，将输出一个高电平信号，此信号会驱动开关关闭，但保持器仍然起到保持输入的作用。综上，跟随器为A1、A2，可以在电容输入端和输出端之间进行阻抗变换。芯片LF398采用双电源供电，在采样和保持状态下的电源抑制性能均较好，其输入特性在保持状态下不变。采样时间为20μs，采样时间短。综上，LF398具有采样精度高、速度快、电源性能佳、集成度高等特点，是一款非常适用于峰值检测模块的采样器，能够为超声成像测井仪的信号峰值检测提供可靠的解决方案，满足井下测井信号的采样需求。

2基于LF398的超声成像测井仪峰值检测模块设计

2.1超声成像测井仪整体设计方案

实际生产应用中，超声成像测井仪主要用来提取回波首波到达的时间、检测回波峰值幅度、采集并数字化回波信号。超声成像测井仪整体设计方案由超声发射电路模块、接收电路模块、数字化电路模块和信号处理模块4个单元组成。超声成像测井仪设计方案如图2所示，超声换能器在发射电路的激发下发射超声波，反射回波通过接收电路进行前置放大滤波和可控增益放大。数字信号处理模块从放大后的信号中提取回波首波峰值和回波首波到达时间，然后由数字化电路对信号进行极性转换，再对全波列信号进行数字化转换，最后把数据进行存储或上传[2]。

2.2信号采集模块设计方案

本设计的信号采集模块由电压和测试信号发生器、回波峰值检测电路、回波时间检测电路、信号选择器、电平转换器和A/D转换器6部分组成。图3为信号采集模块的设计框图。

压控放大器对接收的反射回波进行压控放大和带通滤波，之后将信号送入回波峰值检测模块，用于检测并数字化第一个回波声幅和第一个回波到达的时间。电压和测试信号发生电路是在原有电源电压监测的基础上增加一个测试信号发生器，用于测试和校准井下电路电压。根据测井仪器的工作需要，信号选择器选择回波声幅信号或电压测试信号送入电平转换器。温度传感器模块对井下的温度信号进行采集。

2.3峰值检测电路设计原理

本电路的采集单元为LF398的第三管脚，输出单元为第五管脚，充电电容单元为第六管脚。图4为基于LF398的峰值检测电路设计原理。

LF398的第八管脚连接运放AD8610。AD8610在该峰值检测电路中主要作为比较器来使用，第三管脚连接输入信号，第二管脚连接輸出信号。AD8610是一种处理速度快、高精度的JFET输入放大器，具有极低的漂移和偏置电压、超低的电流噪声和输入电压、超低的输入偏置电流和宽频带等特点。与其他JFET放大器不同，AD8610输入偏置电流始终保持较低的工作温度范围。在不改变单位增益的情况下，电容负载超过1 000 pF时是稳定的，更大的电容负载在更高的噪声增益下很容易被驱动。在1 kΩ负载下AD8610也能在电源5的1.2 V范围内波动，而且在电源电压有限的情况下，可以实现动态范围最大化。输出在50 V/μs的反向或非反向增益配置下转换，并在小于600 ns的情况下稳定到0.01%的精度，还具有高输入阻抗、高精度和极高的输出驱动能力的特点，是驱动高性能ADC输入和缓冲DAC转换器输出的理想放大器之一。

LF398的第六管脚连接到ADG1411的第三管脚。ADG1411是一款高性能的双电源模拟开关器，其导通电阻保持在较低水平且非常稳定，在信号转换时可以保证失真度较低，非常适用于井下测井仪器。与其他相关设计方案相比，ADG1411具有所占空间小、功耗低等优点，可大大节省电路板的面积。

3实验结果

按照上述设计方案，开发实现了基于LF398的超声成像测井仪。对峰值检测模块进行测试，得到了如图5所示的峰值检测模块信号波形。放大信号首先经过峰值检测电路进行半波整流。经过压控放大后的超声回波信号为图中的4号波形，整流滤波后的波形为3号波形，采样的峰值信号波形为1号波形，其中阶段A为峰值保持期。

对实验结果进行分析可得出结论，从换能器开始发射信号到结束发射（阶段B），峰值检测模块处于放电状态，储能电容持续放电，准备提取峰值。在峰值检测期间，回波信号峰值曲线（1号波形）与整流滤波后的波形（3号波形）相比存在一定程度的失真。综合来看，对测试结果的影响不大，此说明设计的模块可实现峰值检测功能。

4结论

①采用FPGA-EP4CE6F17C8N进行逻辑控制，设计了基于LF398的峰值检测模块，用于井下测井回波信号的峰值检测。经过硬件电路设计、调试，实验电路板能够在175℃的高温实验烘箱中连续稳定工作8 h以上，具有成像清晰度高、提取速度快、精度高等特点，达到了测井仪器的技术标准，满足了井下应用的要求，具有很好的抗高温稳定性。

②设计的LF398的峰值检测电路可准确检测到回波信号的峰值和回波首波到达时间，具有占用空间小、功耗低等所要求的信号数字化特点，能够为保障油气井高质量、智能化、信息化发展提供有效的技术支撑。

参考文献：

[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（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（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（6）：81-84.

[4]MORRIS C W，LOU S，WYDRINSKI R，et al.Application of enhanced ultrasonic measurements for cement and casing evaluation[C]//SPE/IADC Drilling Conference，2007.

[5]WU P， STEPINSKI T. Quantitative estimation of ultrasonic attenuation in a solid in the immersion case with correctionof diffraction effects[J]. Ultrasonics，2000（1）：81-85.