MAX274在多頻陣列感應成像測井儀中的應用

陳章龍,陳 濤,宋青山,儲妮晟,劉 梟,江旗洪

(1.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710014;2.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井儀器研究中心,陜西西安710061;3.中國石油渤海鉆探定向井技術服務分公司,天津300280)

0 引 言

高性能陣列感應成像測井儀由發射、線圈系和電子儀3部分組成。該儀器的設計原理是發射線圈發射交變電流,在地層介質中產生交變磁場,變化的磁場產生渦流,渦流(渦流的大小與地層的電導率成正比)產生二次磁場,二次磁場在接收線圈中產生感應電動勢[1]。發射短節發射 3種頻率(105.024、52.512、26.256 kHz)信號,高中低3種頻率信號的發射電流之比為1∶4∶16。線圈系由8對不同尺寸的線圈構成,用來接收二次磁場感應出來的電動勢。電子儀部分將接收的測量信號以及刻度信號進行前置放大、帶通濾波、信號采集以及數據處理后送給地面處理。為從測量信號中分離出3種頻率感應信號,并對各信號進行增益控制,需要設計帶通濾波器[2]。該濾波器基于MAX274芯片,根據需求設計了8個通道,每個通道通過二級帶通級聯組成。整個帶通電路分為電源轉換電路、輸入緩沖電路、濾波電路及求和放大電路4個部分。在設計中,不同信道通過的頻率以及設計的增益均不一樣,以適應不同量級的信號處理要求,確保 HMIT濾波器在靈敏度、溫度穩定性和微調特性等方面具備良好性能。

1 設計要求與硬件結構

1.1 設計要求

為了簡化電路,通過高低電平實現奇偶選通,將8路信號分成了4路來測量,即奇信號時06、12、21、 39通道工作,偶信號時09、15、27、72通道工作。測量信號和刻度信號由前置放大電路輸出,進入帶通濾波電路。在帶通濾波器里,首先進入的是帶通的無放大的輸入緩沖器,信號從緩沖器出來,進入濾波放大器部分(其中06/09這2個通道只允許中心頻率為105.024 kHz的信號通過;12/15這2個通道允許2種中心頻率為105.024 kHz和52.512 kHz的信號通過;21/27、39/72這4個通道允許2種中心頻率為 52.512 kHz和26.256 kHz的信號通過),1種或2種頻率信號經過適當放大后通過濾波電路,再經過求和放大器后輸出給數據采集單元。8道信號各道增益大小不一樣,在求和放大器中可進行高中低頻信號的總增益調整。

1.2 硬件結構

由于低頻、中頻和高頻帶通濾波器的工作原理是相同的,所以各通道的整體結構是相同的。下面的硬件電路結構、各通道增益以及各通道濾波芯片的外部阻值均以12/15通道為例來說明。根據濾波器設計要求以及MAX274芯片的特點,將整個帶通電路設計成3個部分,即輸入緩沖器、雙頻帶通放大器以及求和放大器,為了讓濾波效果更加理想,濾道只含高頻帶通濾波,21/27、39/72通道與12/15通道結構完全一樣。

圖1 帶通電路原理框圖

2 芯片選擇及原理

考慮到盡可能使儀器簡短精致、維護方便,選擇了MAXIM公司的耐高溫芯片MAX274,其正常工作范圍為-55～125℃,若配上保溫瓶,可適應高溫測井環境。MAX274是1個八階連續時間有源濾波芯片,它包含4個互相獨立的二階濾波單元(見圖2中的A/B/C/D)。

每個濾波單元有5個外接管腳,分別為輸入(IN)、帶通輸入(BPI)、帶通輸出(BPO)、帶通輸入(LPI)和低通輸出(LPO)。在作帶通濾波器用時, Ui為輸入,Uo為輸出。其中 R1、R2、R3、R4分別為各濾波單元的外圍電阻。每個單元的中心頻率 F0、Q值、放大倍數均可由這4個外接電阻來確定。相互關系式為[3]

推導過程中的Q=ω0/Bω=ω0/2α,K為常數,當FC分別接至V+、GND和V-時,K的取值對應為4、1/5、1/25。

該芯片的特點是只需設計芯片外接電阻的大小,就可以設計出滿足要求的各種高階有源低通、高通、帶通濾波器,如Butterworth、Chebyshev和橢圓函數型等濾波器。這樣避免了外接電容,既降低了噪聲,又使調試變得簡單。

圖2 MAX274外部電路

3 濾波器設計過程

3.1 各級增益設置

由于不同頻率發射電流大小不一樣,每組接收線圈距離發射線圈的距離也不一樣,這樣每組接收線圈的各個頻率的信號幅度相差較大。而前放對各信號的放大倍數是相同的,為使進入采集電路的信號幅度接近,要求帶通放大級對不同道的各頻率信號設置不同的增益。根據前放輸出信號的幅度大小,設置了各級的增益大小。其中12/15通道增益見表1。

表1 帶通濾波電路12/15通道增益設計參數表

3.2 電阻值設置

MAXIM公司為MAX274系列濾波芯片提供了設計軟件,該軟件可根據所要求的濾波形式,計算出濾波器階數、極點值、Q值和電阻的大小[3]。該軟件設計濾波器主要分兩大步驟:由濾波器指標確定極點、Q值和零點;完成濾波器在濾波芯片(MAX274)硬件上的實現。

在濾波器的設計過程中可以根據濾波器所需要達到的性能指標,如通帶內最大衰減、阻帶內最小衰減,截至頻率、抑制頻率、Q值等,迅速算出各類經典濾波器的極點、階數和Q值;然后選擇所要設計濾波器的類型,根據需要調整Q值以及中心頻率、階數和各級增益;最后根據這些參數進行外部電阻阻值計算。一般來說,要求端通帶和止帶處的特性曲線變化陡峭,即2端的Q值較大,而中間部分要求曲線平緩,即中間段Q值較小。每個帶通濾波單元的品質因素Q被設計成標準的Qs=6.5;2級帶通濾波單元按照Q值從小到大的順序串聯后總的品質因素Qt=10。以保證帶通濾波器可以實現較大的動態范圍,達到較好的濾波效果。表2是通過理論計算出的12/15通道各級增益以及外部電阻值分配。

表2 帶通板12/15通道增益及外部電阻值分配

3.3 硬件電路

根據帶通電路原理框圖1,各通道各級增益值以及外部電阻值,可將整個帶通電路分為電源轉換電路、輸入緩沖電路、濾波電路以及求和放大電路。其中,電源轉換電路是為MAX274提供±5 V,而HMIT電源部分只提供±15 V與±25 V電壓,故需要電源轉換,此處采用常見的轉換電路。另外3部分具體電路見圖3。

輸入緩沖器是帶通濾波板的輸入部分,它接收來自前置放大器的輸出信號,作用是提高整個帶通板的輸入阻抗,同時避免將前置放大器的噪聲信號引入到濾波電路。該電路由一個差分運算放大電路來實現,運算放大器采用AD829SQ。濾波電路也是整個帶通濾波的核心,每個通道由MAX274和外圍電阻組成,實現濾波和各通道的增益變化。輸出求和放大電路由選通電路和反向放大電路組成,選通電路選用的是DG189AP/883,反向放大電路的運算放大器選用的是AD829SQ,均屬高溫芯片。該電路的作用是對帶通板的總增益進行調節,并且將帶通板與后面電路隔離開來,減小帶通板的輸出阻抗。為提高帶通板耐穩定性,很多芯片采用貼片式的,插件芯片采用硅膠加固,防止因顛簸松動而引起電路故障。

4 調試與加溫數據分析

4.1 調試思路

根據MAX274芯片設計思路,每個單元的中心頻率 F0、品質因數Q值、放大倍數G均可由其外接電阻R1～R4的設計來確定。其中,輸出信號的幅度由R1和R3決定,信號的相位主要由R2和 R4決定。由電位器代替相關電阻(R1、R2、R3、R4以及調輸出信號總增益的選通電阻),一二級配合調試直至達到設計的參數要求。

圖3 12/15通道電路圖

4.2 加溫時參數變化以及數據分析

測井儀器通常要經過多次高溫試驗,以便更好地適應測井環境,達到設計要求。針對12/15帶通板,用干燥箱從常溫26℃加溫至175℃,并記錄了26、85、125、145、155、175℃各溫度下的數據,以及2 h恒溫155℃時的數據。通過數據看出,隨著溫度的升高,所測感應信號幅度的偏幅達3%～5%,相位差達到4°～9°,試驗結果見表3。

表3 12/15通道各溫度下輸出幅度及相位差值

HMIT設計之初就考慮到溫漂現象,即采用二級刻度電路。儀器線圈系發射電流經取樣變壓器取樣后,得到一個正比于發射電流的小電壓信號。該信號經高阻抗的二級刻度板放大后給前放提供了正比于發射電流的電壓信號,該信號可用來修正因溫度升高導致發射電流變化帶來的增益和相位的變化,設計的增益變化范圍為5%,實驗結果在設計范圍內。

5 結 論

現場實驗表明,用MAX274濾波芯片實現本濾波功能,設計簡單,調試、維護方便,噪聲低,實現了各道增益控制,很好適應復雜的測井環境。

[1] 張建華,劉振華,仵 杰.電法測井原理與應用[M].西安:西北大學出版社,2002.

[2] 湯天知,陳 濤.MIT陣列感應測井微弱信號檢測采集系統設計[J].測井技術,2008,32(6):585-586.

[3] 周凱波,范吉偉,周 偉.多頻陣列感應成像測井儀帶通濾波電路研制報告[R].2008,12-14.