井間測井儀動態濾波電路設計與實現

劉 梟，王 俊，鄒華寶，張培均，楊 雯

(1.西安石油大學 陜西 西安 710065；2.中國石油集團測井技術有限公司 陜西 西安 710077)

·開發設計·

井間測井儀動態濾波電路設計與實現

劉 梟1，2，王 俊2，鄒華寶2，張培均2，楊 雯2

(1.西安石油大學 陜西 西安 710065；2.中國石油集團測井技術有限公司 陜西 西安 710077)

井間測井儀根據不同地層選擇不同的工作頻率，電路系統同步調整預處理電路的增益倍數和濾波電路中心頻率。為了實現帶通濾波中心頻率的實時調整，通過幾種方案對比，確定以濾波芯片MAX263為基礎來設計。重點描述動態濾波電路的設計與實現，對電法類測井儀通用預處理電路的設計有較高的參考價值。

井間測井儀； 動態濾波；帶通濾波

0 引 言

井間測井在地面地震與測井、油藏地質之間搭起一座相互聯系的橋梁。井間測井層析成像技術可以監測流體的運移、油氣飽和度變化，并且能夠準確評價油藏，在老油田二次開發、提高采收率、增儲上產方面發揮重要作用[1]。

井間測井儀發射電磁波在有耗介質中傳播時會衰減，井間距離越大電磁場衰減越厲害，而且這種衰減與原頻率以及介質電導率有關。井間距離確定后，需要根據不同地層，調整發射源工作頻率，以獲得最佳的測量效果。

目前國內進行深層次研究的主要有勝利油田與美國EMI公司聯合研發井間電磁成像測井樣機XBH2000，考慮到金屬套管對電磁波信號的有很強的衰減和相位移作用，有針對性設計1Hz、5Hz至1.848kHz等10種不同的工作頻率，并通過理論計算與試驗確定各種套管的衰減系數。但現場應用10種工作頻率不能滿足最佳的測量效果,工作頻率可能選擇1Hz∽10kHz范圍內的任何頻率。套管的衰減系數需要在掃頻情況下，確定各接收線圈不同頻率信號大小進行標定[2]。電路系統的預處理電路，需要設計動態的帶通濾波器，以明確每個頻率信號的大小。本文基于此，提出動態濾波器設計并實現了掃頻時動態濾波功能，作為電路系統動態濾波設計的一個參考。

1 設計目的與思想

1.1 設計目的

為滿足井間測井儀數據處理需求，電路系統預處理電路要求實現微弱信號的前置放大，并在1Hz～10kHz范圍跟蹤濾波，即要求帶通器中心頻率隨著發射電路的工作頻率變化而變化[3]。

1.2 設計思路

同時為了抑制電路系統隨溫度變化引起的增益與相位偏移，輸入信號由來自線圈的測量和來自電路系統的內刻信號組成，并通過選通電路來進行切換，分時進入前置放大電路和帶通濾波電路。

預處理電路由三部分構成，選通電路、前置放大電路和動態濾波電路，電路設計結構如圖1所示[4]。

圖1 預處理電路結構框圖

選通電路采用通用的兩通道模擬開關來實現，前置放大電路采用經典的差分深度電壓串聯負反饋電路來實現，在此不再詳述，下面重點描述動態濾波電路的設計與實現。

2 方案確定

2.1 開關電容跟蹤濾波器

用一個開關切換來逐個地接通N個低通濾波器，實現對各個固定頻率的濾波[5]。

1)原理

如果用一個開關來逐個地接通N個低通濾波器，如圖2(a)所示，就可組成一個帶通濾波器，其帶寬為BW= 1/πNRaCa。調節Ra值和選擇適當N或C值，可使濾波特性很窄。每個電容被周期地選入，選入時間是 1/Nfk，其中N是開關擲數，是開發頻率fk。當輸入頻率fi和開關頻率或開關頻率的諧波相等時，則每個周期接入每個電容正好是在輸入波的同一位置上，于是電容被充電到輸入電壓值，結果輸出是一個類似于輸入的階梯波，如圖2(b)所示。如果輸入頻率高于或低于開關頻率fk，則電容選入時是處于輸入波的不定位置，這時電容上的平均電壓會降得很低。在V。/Vi=0.707時形成帶寬BW。

圖2 開關電容跟蹤濾波器結構與波形

2)優缺點

該方案的優點是頻率范圍較寬，帶寬可以做的很窄，溫度性能好，而且可以通過改變開關切換的頻率，來改變通帶的中心頻率。缺點是如果要實現掃頻功能，需要提供的輸入頻率太多；同時模擬開關來回高頻率切換帶來的尖峰，會影響中心頻率的準確性。

2.2 半集成度跟蹤濾波器

以MF10為核心的動態濾波器，根據設計原理，只需確定輸入時鐘，既可確定中心頻率。

1)原理

隨著MOS工藝的迅速發展，由MOS開關電容和運放組成的開關電容濾波器已實現了單片集成化。半集成度濾波器的基本電路是一個如圖3(a)所示的積分器，只不過其中的一個電阻R用高速開關T1、T2和C1等效而取代了。開關T1、T2由兩個反相的脈沖CLK1、CLK2驅動。當CLK1為高電平CLK2為低電平時, 開關T1導通、T2截止,電容由輸人信號vi充得的電荷量為C1×vi。當CLK1為低電平CLK2為高電平時，開關T1截止，T2導通，C1上的電荷傳遞到C2上去,一個周期Tc驅動信號相當vi通過一個等效電阻Req進行充電，Tc驅動信號如圖3(b)所示，Req的大小為：

圖3 開關電容跟蹤濾波器結構與波形

2)優缺點

該濾波器雖然具有低通、帶通、高通、陷波和全通五種濾波模式，無需外接器件，只需根據需求，確定輸入時鐘頻率，進而決定濾波器的中心頻率。但缺點是該電路中C2與C1的比值隨溫度變化時很難固定，導致濾波電路的中心頻率不穩定，同時濾波質量無法調整，逐點控制需要耗費大量的資源。

2.3 全集成化跟蹤濾波器

以MAX263為核心的動態濾波器，可以根據工作頻率和工作模式來確定中心頻率和品質因數，實現中心頻率為0.4Hz～40kHz頻率范圍內的高通、低通、帶通等五種濾波方式。其中，工作頻率由可以由系統產生，工作模式可以由系統2根I/O線(M0和M1)來實現。在確定工作頻率和工作模式后，中心頻率由5根I/O線(F0～F4)來控制選擇，可做到32選1；品質因數由7根I/O線(A0～A6)來控制選擇，實現128選1，內部結構如圖4所示。

該芯片具有動態濾波的功能，確定一個工作頻率，可以實現32個相鄰中心頻率的濾波，并且可以控制品質因數。該芯片擴展性強，外圍簡單，實現方便。

圖4 MAX263芯片內部結構

3 電路設計

3.1 特性分析

根據設計需求和芯片MAX263特性，確定方案的工作模式，參見圖5。工作模式與工作頻率的關系如圖5(a)所示。

3.2 參數確定

由于井間中心頻率范圍是0～10kHz，針對MAX263芯片而言，在圖5(b)中，根據公式fclk/fo=π(N+32)，當N在0～31范圍內變化，fclk/fo變化范圍為100.53～197.92；在圖5(c)中，根據公式Q=64/(128-N)當N在0～127范圍內變化時，Q變化范圍為0.5～64。根據MAX263特性以及帶通濾波的設計要求，以中心頻率為16Hz、128Hz與512Hz為例，對參數設計進行說明。工作模式采用模式1，Q值選8，對應的N值為120，此時Q0=Q1=Q2=’0’，Q3=Q4=Q5=Q6=’1’。此時帶多路反饋帶通濾波電路模型如圖6所示。

同時，根據芯片資料各階帶通濾波多路反饋電路參數表確定各反饋電阻。

設置四階巴特沃斯帶通濾波模式，確定相關參數。

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

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

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

R0設置總增益，R0=K0RF(QR/2)2/A=2×1000×(11.311/2)2/1=63.96kΩ；

圖5 MAX263工作模式

圖6 MAX263芯片外部四階反饋電路模型

根據圖5(b)，確定在模式1下，設置fclk/fo=100.53，此時M0=M1=0，F0=F1=F2=F3=F4=N=’0’。

當fo=16 Hz時，fclk=1.6kHz；當fo=128 Hz時，fclk=12.8kHz；當fo=512 Hz時，fclk=51.2kHz；

當然，在給定fclk時，通過改變F0～F4的值來改變fclk/fo的比值，來實現32個相鄰的中心頻率，如果再通過M0與M1改變成另一種工作模式，可以實現另外32種中心頻率。

4 電路實現與測試

4.1 電路結構

整個預處理電路前置放大電路采用深度電壓串聯負反饋電路來實現，前級采用差分輸入，次級差分輸入單端輸出。結合多路反饋跟蹤濾波器電路實現了井間測井儀預處理電路[6]，結構如圖7所示。

4.2 電路測試

準備電源、信號源(兩臺)、示波器以及萬用表等測試設備，其中信號源提供輸入時鐘頻率fclk和待測輸入信號。

當輸入時鐘頻率fclk為1.6kHz、工作電壓幅度為5V；待測輸入信號頻率fo為16Hz，輸入電壓幅度為100mV時，測試輸出信號vo=200mV。調整輸入信號頻率與輸入時鐘頻率，當頻率在f0兩側改變時，輸出信號幅度明顯減小，具體數據見表1，輸出信號幅度隨工作頻率的變化如圖8所示。

當待測輸入信號頻率fo為128Hz或為512Hz時，調整相應的工作頻率fclk測試對應幅頻響應曲線，效果與圖8所示相近，不再描述。

圖7 井間預處理電路原理框圖

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

圖8 預處理電路跟蹤濾波電路幅頻響應圖

5 結束語

集成化跟蹤濾波器結構簡單、控制方便，以較小的資源快速實現多個中心頻率的濾波掃描，并實現較高濾波質量控制。實際測試性能穩定可靠，掃頻效果明顯，對于井間測井儀的電路系統的應用有一定的參考價值。

[1] 栗建軍．井問電磁測井原理、方法及套管對井問電磁測井影響規律的研究[D].博士學位論文，中國海洋大學，2004.

[2] 沈金松，佟文琪，房德斌．用跨井電磁波資料重現地下介質的電阻率分布[J]．石油地球物理勘探，2000，35(6)：741-750.

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[6] 康華光，陳大欽，張 林，等. 電子技術基礎[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

劉 梟，女，1982年生，工程師，碩士，從事機械、電路設計與實現工作。E-mail：lxlh1415@163.com

TE28

A

2096-0077(2016)06-0034-05

2016-07-21 編輯：馬小芳)