一种多通道微弱电流信号检测电路的设计与实现

徐杰，孙向阳，于增辉，王芝江

（1.电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都，611731；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊，065201）

0 引言

依托着电、声、核、磁等物理量及相应的物理原理，现代测井技术通过采集此类物理量，并进行一些信号处理及电路处理，便能够采集到地层丰富的信息。与传统的测井技术相比较，电成像测井技术在储层的识别、裂缝的分析等方面具有更为明显的优势，在油田勘探开发中发挥着重要作用。微电阻率电成像测井的主要原理是通过电极与井壁接触，使发射激励与井壁之间形成回路，通过采集电极上的电信息来获取地层的电阻率信息，并通过该电阻率变化呈现出地层的图像。但是若地层电阻很大时，采集到的电流信号幅度会相当的小，往往是纳安级别的电流，而倘若地层电阻很小时，采集到的电流幅值又可能是毫安级别的信号，因此要求仪器能够适应大动态范围的电流测量，并且能够对纳安级的微弱电流信号具有较高的灵敏度。本文阐述了电路设计的思路及方法，实现了一种高灵敏度、大动态范围测量能力的采集电路。

1 电路总体设计方案

采集电路需完成对25路电极通道的有序采集，激励信号为2kHz正弦信号，每个通道采集2.5个周期信号，由FPGA对模数转换电路进行采集时序的控制，并向上位机上传所采模值，电路整体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计框图

由于电极所采集到的信息为激励信号经地层回流的电流信号，而在电路的信号处理上，处理电压信号相较于处理电流信号而言更简便且更常用，故在通道采集后，需要对输入的电流信号进行处理，将其转换为电压信号，方便后续的处理；由于电路需要具备测量大动态范围信号的能力，电路设计上选择两档增益变换，以此适应不同范围地层电阻的测量，此外还需要考虑模数转换器测量范围、运算放大器的输出电压限制，所以增益的选取不能过大，过大的增益会导致输出信号超量程，或运算放大器输出削顶，使得测量数据不准确。在第一级较大增益差之后，第二级放大设计了两档增益较小的电路，该级电路在测量时与前一级相结合，在不同环境下，可以通过组合的方式选取更为合适的测量档位，由于第一级放大电路为主要工作电路，第二级为辅助电路，故本文中主要阐述第一级放大电路的设计，第二级放大电路不再叙述。

2 电流信号处理设计

电流信号处理电路的作用在于将所采集到的电流信号转变为电路中更易处理的电压信号，以此方便后续电路对信号的处理。其实现方式如图2所示。

图2 电流信号处理框图

其中AC为外部发射电路所给出的频率为2kHz的激励正弦信号，R0为地层模拟电阻，即输入到电流转换电路中的信号便是系统所需要采集的电流信号，信号经过电压转换电路后，输出信号为电压信号，其电流与电压的关系式为：

式中K为流压转换比，其值代表了电流转换到电压后的比例关系，在后级的放大电路确定了增益后，此处的流压转换比应选取合适，过大的K值将会导致后级放大滤波电路后，信号幅度过大，超出AD转换器的测量范围，导致信号削顶失真，测试数据将会出现异常。

3 放大滤波电路设计

在电路模块中完成信号的采集处理及模值上传后，上位机中会对数据进行数组相敏检波算法进行幅度的提取，虽然数字相敏检波对信号中的噪声有较强的抑制能力，但是使电路拥有较低的噪声水平对获得更高的灵敏度及稳定度是必要的。而放大滤波电路设计的宗旨在于对所选频率具有选择性，即只能允许必要的信号通过，而对不需要的信号有抑制的作用，因此一个好的低噪放大电路设计时有必要的。第一级中低增益与高增益的放大滤波电路原理如图3所示。

图3 放大滤波设计原理

第一级低增益电路设计为一个通带增益较低，中心频率为2kHz的带通滤波器，VL作为低增益档位的输出，直接连接至增益选择的模拟开关，同时也作为第二级高增益放大器的输入。第二级电路首先通过一个二阶RC高通滤波器滤除掉信号中不必要的低频信号，并由反馈回路完成低通滤波的功能，总体上，该级电路同样是中心频率为2kHz的带通滤波器，并由R7、R8控制通带增益。

由于输入信号微弱，因此电路中对于噪声的抑制尤为重要，简单的电路噪声中主要包含电阻热噪声及运放噪声。电阻热噪声电压密度为一个与频率无关的量，其计算公式为：

而运放常见的噪声根源有两类，一类为1/f噪声，其电能力密度曲线随着频率的上升而下降，在1Hz处，1/f噪声的点能力密度为C2，在一个规定的频率范围内，其噪声电压有效值表达式为：

另一类为白噪声或者叫平坦噪声，其点能力密度曲线是一条直线，与频率无关，其电能力为密度为K2,则在一个规定的频率范围内，其噪声电压有效值为：

因此在设计放大滤波电路时，电阻的取值不能过大，以减少电阻热噪声带来的影响，同时滤波电路的设计中通带应该设置合适，过大的通带不能很好的抑制不必要的信号噪声，而过窄的通带可能导致电路不稳定。

4 测试结果分析

对采集电路的测试中，通过信号发生器产生频率为2kHz，正弦信号来模拟激励信号，通过串联电阻来模拟地层电阻，并通过改变激励信号的幅度，来获得所需的采集电流的值，事实上也可以固定激励信号的幅值，通过改变地层模拟电阻的大小获取电流值。测试的主要目的为考察电路对nA级电流的响应能力及电路对电流测量的动态范围，故测量时主要考察了第一级为高增益且第二级为高增益，以及第一级为低增益且第二级为低增益时的两种情况，测试数据如表1所示。

表1 输入-输出相应值

由表1的数据进行曲线拟合，并使用对数坐标缩小数据范围得到采集电流与输出相应值之间的关系曲线图如图4所示。

图4 输入—输出响应曲线

表中未接入电阻时表示电路没有接入发射回路，测量结果为空气噪声，也就相当于该电路系统所能测量的最小电流值，通过线性区间内实际放大倍数进行反演得到，未接入电阻时，响应值对应的输入电流有效值大小为1nA，由于反演值是通过线性区间的变化率所得到的，而此时的响应值已经处于非线性段内， 所以并非代表在输入电流有效值为1nA时，输出响应值一定为0.37mV左右，相反的，输出相应值为0.37mV时，实际的输入电流会更小。

在考察电流灵敏度时，相当于地层模拟电阻相当大，回路电流相当小，此时电路必须工作在高增益情况下，而在考察电路测量动态范围时，则需要考虑整个放大电路的测量范围。在拟合曲线中可以看出，在高增益的情况下，对于采集电流有效值为1.41nA时，输出响应值仍然在较良好的线性区间内，说明电路对有效值为1.41nA的微弱电流信号该范围的电流仍然有较高的分辨率。然而在实际的成像图中，能够具有区分度的区间并不仅仅只包含完全在线性区间内的测量值，当测量值在非线性区间中，只要值仍然能与电路所能测量的最小电流值有一定的区分度时，仍然可以得到能够识别的成像图。若定义输出响应值与最小响应值的差值为AD转换最小分辨率的两倍时，该测量值可认定为非线性区间内有足够区分度。此处AD转换器转换位数为16位，参考电压为2.5V，故可计算得该AD转换器的最小分辨率为：

通过式(5)与测量值可计算得在输入电流有效值为0.7nA与未接入电阻时的测量差值与AD转换器的最小分辨率之间的比例为：

所以可以认为，对于输入电流有效值为0.7nA时，仍然可以认为相较于空气噪声有足够的区分度，在成像效果上能够识别。

在低增益测量情况下，对于采集电流有效值达到1.2mA时，输出相应值才出现了明显的非线性，说明该电路能够响应的最大采集电流有效值为1.2mA，动态测量范围为0.7nA～1.2mA，且在整个动态范围内，测量曲线具有足够的分辨特性。

5 总结

针对微电阻率成像测井仪的测量需求，设计了一款高电流灵敏度、大动态范围测量能力的采集电路，通过实验表明，该电路能够实现对多路微弱信号的检测，且对有效值为1.41nA电流信号有较为良好的线性度，对有效值为0.7nA的电流信号仍能有区分度，测量动态范围达125dB。