水利工程全波列超聲測井信號自動增益放大電路設計

黃河勘測規劃設計有限公司 周錫芳 張曉予

1 引言

在水利工程全波列信號采集過程中，由于地質條件變化較大，信號輸入端需要較強的信號幅度控制調整能力，而傳統的放大電路無法兼顧一些幅度不大的高頻縱波、幅度過大的低頻斯通利波；在軟地層及薄互層測量時，傳統的放大電路存在放大倍數不夠或放大倍數調整響應遲緩的缺陷，不利于提高工作效率。用自動增益控制放大的方法就能解決這些問題。

2 可變增益放大器的整體結構

本文采用的是壓控增益放大器，如圖1所示。VGA具有60DB的動態放大倍數，放大倍數很高，信號輸入前經過帶通濾波，避免直流信號引起信號失真。

圖1 壓控增益放大電路結構框圖

3 電路設計

詳細電路如圖2所示。壓電換能器的輸出阻抗高，輸出信號有一個很強的50Hz干擾信號，因此用運放U3做了一級高通濾波，濾除50Hz干擾信號，且進行阻抗匹配，避免輸入阻抗過低影響壓電換能器的信噪比。

U3為ADI公司的壓控增益放大器AD8336，其功能框圖如圖3所示，其內部由前置放大器、衰減器、固定增益放大器、偏置級和增益控制接口等五部分組成。總的增益是前置放大器增益、衰減器增益和固定增益放大器之和。芯片的前置放大級采用差分輸入，具有較好的共模抑制能力，放大倍數可在0～26d B范圍內調整。該芯片通過調節增益控制接口輸入端的電壓控制衰減器的衰減因子，實現可調增益放大-26dB～34dB或0dB～60dB。測井探管是長線供電，且電路板在井下密閉空間工作，為了降低功耗，采用±5V供電。AD8336的前置放大器作為低通濾波器，進一步濾除干擾。增益控制負輸入端接0.75V，則增益控制正輸入端的變化范圍是0～1.5V。

圖3 AD8336功能框圖

U1為有效值轉直流芯片AD8436，其內部包含了一個輸入緩沖器、交直流轉換內核和一個輸出緩沖器。輸入緩沖器是一個寬帶JFET放大器，在10mv交流輸入下的3dB帶寬為2.7MHz，在1v交流輸入下的3dB帶寬為1.5MHz。交直流轉換內核包括一個精密電流響應全波整流器和一個對數-反對數晶體管陣列，用于進行電流平方和平方根計算，從而實現交直流轉換。對于交直流轉換只需一個外部電容用于均值計算。任意輸入電平均能迅速建立轉換，帶寬為1MHz。輸出緩沖器是一個雙極性輸入放大器，經過激光調整以消除輸入失調電壓誤差。

圖2 壓控增益放大電路圖

本設計將輸出緩沖器作為一個比較器，在同向輸入端施加一個電壓基準，調整該基準可以調整AD8336的輸出電壓有效值。要比較的電壓是來自交直流轉換器的檢測電壓。輸出接到AD8336的增益控制正極端，當比較輸入降至基準電壓以下時，比較輸出電壓會增加，使AD8336的放大倍數增加，其輸出恢復其標稱電平。若比較基準設為88mV則最小能將11mV的信號放大到1.7V，要想放大更小信號，則將該基準調低。

4 測試結果

將該電路輸入端接上壓電換能器，信號輸出端和放大倍數輸出端接上示波器，則可以看到如圖4所示信號。一通道為發射同步信號，二通道為輸入信號，三通道為輸出信號，四通道為放大倍數信號。從圖上看，該電路能同步放大小信號或縮小大信號，乘上放大倍數就能恢復原始信號。

圖4 測量波形圖一

圖5 測量波形圖二

從圖4、5、6可以看出，不管輸入變大變小，輸出基本在±2V，達到了自動放大恒定輸出的目的。

圖6 測量波形圖三

5 結論

通過測試結果可知，采用自動增益控制放大的方法，可以較好的解決水利工程全波列測井信號實時控制問題，實現多種地質條件下水利工程全波列測井信號的完整接收，降低因地質條件變化導致的削波或波幅放大不足，為后續數據處理保存了完整的全波列信號。

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