一種多通道微弱電流信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐杰，孫向陽，于增輝，王芝江

（1.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 四川成都，611731；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊，065201）

0 引言

依托著電、聲、核、磁等物理量及相應(yīng)的物理原理，現(xiàn)代測井技術(shù)通過采集此類物理量，并進(jìn)行一些信號(hào)處理及電路處理，便能夠采集到地層豐富的信息。與傳統(tǒng)的測井技術(shù)相比較，電成像測井技術(shù)在儲(chǔ)層的識(shí)別、裂縫的分析等方面具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)，在油田勘探開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。微電阻率電成像測井的主要原理是通過電極與井壁接觸，使發(fā)射激勵(lì)與井壁之間形成回路，通過采集電極上的電信息來獲取地層的電阻率信息，并通過該電阻率變化呈現(xiàn)出地層的圖像。但是若地層電阻很大時(shí)，采集到的電流信號(hào)幅度會(huì)相當(dāng)?shù)男。羌{安級(jí)別的電流，而倘若地層電阻很小時(shí)，采集到的電流幅值又可能是毫安級(jí)別的信號(hào)，因此要求儀器能夠適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的電流測量，并且能夠?qū){安級(jí)的微弱電流信號(hào)具有較高的靈敏度。本文闡述了電路設(shè)計(jì)的思路及方法，實(shí)現(xiàn)了一種高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍測量能力的采集電路。

1 電路總體設(shè)計(jì)方案

采集電路需完成對(duì)25路電極通道的有序采集，激勵(lì)信號(hào)為2kHz正弦信號(hào)，每個(gè)通道采集2.5個(gè)周期信號(hào)，由FPGA對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采集時(shí)序的控制，并向上位機(jī)上傳所采模值，電路整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

由于電極所采集到的信息為激勵(lì)信號(hào)經(jīng)地層回流的電流信號(hào)，而在電路的信號(hào)處理上，處理電壓信號(hào)相較于處理電流信號(hào)而言更簡便且更常用，故在通道采集后，需要對(duì)輸入的電流信號(hào)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，方便后續(xù)的處理；由于電路需要具備測量大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的能力，電路設(shè)計(jì)上選擇兩檔增益變換，以此適應(yīng)不同范圍地層電阻的測量，此外還需要考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量范圍、運(yùn)算放大器的輸出電壓限制，所以增益的選取不能過大，過大的增益會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)超量程，或運(yùn)算放大器輸出削頂，使得測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。在第一級(jí)較大增益差之后，第二級(jí)放大設(shè)計(jì)了兩檔增益較小的電路，該級(jí)電路在測量時(shí)與前一級(jí)相結(jié)合，在不同環(huán)境下，可以通過組合的方式選取更為合適的測量檔位，由于第一級(jí)放大電路為主要工作電路，第二級(jí)為輔助電路，故本文中主要闡述第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)，第二級(jí)放大電路不再敘述。

2 電流信號(hào)處理設(shè)計(jì)

電流信號(hào)處理電路的作用在于將所采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐分懈滋幚淼碾妷盒盘?hào)，以此方便后續(xù)電路對(duì)信號(hào)的處理。其實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 電流信號(hào)處理框圖

其中AC為外部發(fā)射電路所給出的頻率為2kHz的激勵(lì)正弦信號(hào)，R0為地層模擬電阻，即輸入到電流轉(zhuǎn)換電路中的信號(hào)便是系統(tǒng)所需要采集的電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路后，輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，其電流與電壓的關(guān)系式為：

式中K為流壓轉(zhuǎn)換比，其值代表了電流轉(zhuǎn)換到電壓后的比例關(guān)系，在后級(jí)的放大電路確定了增益后，此處的流壓轉(zhuǎn)換比應(yīng)選取合適，過大的K值將會(huì)導(dǎo)致后級(jí)放大濾波電路后，信號(hào)幅度過大，超出AD轉(zhuǎn)換器的測量范圍，導(dǎo)致信號(hào)削頂失真，測試數(shù)據(jù)將會(huì)出現(xiàn)異常。

3 放大濾波電路設(shè)計(jì)

在電路模塊中完成信號(hào)的采集處理及模值上傳后，上位機(jī)中會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組相敏檢波算法進(jìn)行幅度的提取，雖然數(shù)字相敏檢波對(duì)信號(hào)中的噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，但是使電路擁有較低的噪聲水平對(duì)獲得更高的靈敏度及穩(wěn)定度是必要的。而放大濾波電路設(shè)計(jì)的宗旨在于對(duì)所選頻率具有選擇性，即只能允許必要的信號(hào)通過，而對(duì)不需要的信號(hào)有抑制的作用，因此一個(gè)好的低噪放大電路設(shè)計(jì)時(shí)有必要的。第一級(jí)中低增益與高增益的放大濾波電路原理如圖3所示。

圖3 放大濾波設(shè)計(jì)原理

第一級(jí)低增益電路設(shè)計(jì)為一個(gè)通帶增益較低，中心頻率為2kHz的帶通濾波器，VL作為低增益檔位的輸出，直接連接至增益選擇的模擬開關(guān)，同時(shí)也作為第二級(jí)高增益放大器的輸入。第二級(jí)電路首先通過一個(gè)二階RC高通濾波器濾除掉信號(hào)中不必要的低頻信號(hào)，并由反饋回路完成低通濾波的功能，總體上，該級(jí)電路同樣是中心頻率為2kHz的帶通濾波器，并由R7、R8控制通帶增益。

由于輸入信號(hào)微弱，因此電路中對(duì)于噪聲的抑制尤為重要，簡單的電路噪聲中主要包含電阻熱噪聲及運(yùn)放噪聲。電阻熱噪聲電壓密度為一個(gè)與頻率無關(guān)的量，其計(jì)算公式為：

而運(yùn)放常見的噪聲根源有兩類，一類為1/f噪聲，其電能力密度曲線隨著頻率的上升而下降，在1Hz處，1/f噪聲的點(diǎn)能力密度為C2，在一個(gè)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，其噪聲電壓有效值表達(dá)式為：

另一類為白噪聲或者叫平坦噪聲，其點(diǎn)能力密度曲線是一條直線，與頻率無關(guān)，其電能力為密度為K2,則在一個(gè)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，其噪聲電壓有效值為：

因此在設(shè)計(jì)放大濾波電路時(shí)，電阻的取值不能過大，以減少電阻熱噪聲帶來的影響，同時(shí)濾波電路的設(shè)計(jì)中通帶應(yīng)該設(shè)置合適，過大的通帶不能很好的抑制不必要的信號(hào)噪聲，而過窄的通帶可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。

4 測試結(jié)果分析

對(duì)采集電路的測試中，通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為2kHz，正弦信號(hào)來模擬激勵(lì)信號(hào)，通過串聯(lián)電阻來模擬地層電阻，并通過改變激勵(lì)信號(hào)的幅度，來獲得所需的采集電流的值，事實(shí)上也可以固定激勵(lì)信號(hào)的幅值，通過改變地層模擬電阻的大小獲取電流值。測試的主要目的為考察電路對(duì)nA級(jí)電流的響應(yīng)能力及電路對(duì)電流測量的動(dòng)態(tài)范圍，故測量時(shí)主要考察了第一級(jí)為高增益且第二級(jí)為高增益，以及第一級(jí)為低增益且第二級(jí)為低增益時(shí)的兩種情況，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輸入-輸出相應(yīng)值

由表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)縮小數(shù)據(jù)范圍得到采集電流與輸出相應(yīng)值之間的關(guān)系曲線圖如圖4所示。

圖4 輸入—輸出響應(yīng)曲線

表中未接入電阻時(shí)表示電路沒有接入發(fā)射回路，測量結(jié)果為空氣噪聲，也就相當(dāng)于該電路系統(tǒng)所能測量的最小電流值，通過線性區(qū)間內(nèi)實(shí)際放大倍數(shù)進(jìn)行反演得到，未接入電阻時(shí)，響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的輸入電流有效值大小為1nA，由于反演值是通過線性區(qū)間的變化率所得到的，而此時(shí)的響應(yīng)值已經(jīng)處于非線性段內(nèi)， 所以并非代表在輸入電流有效值為1nA時(shí)，輸出響應(yīng)值一定為0.37mV左右，相反的，輸出相應(yīng)值為0.37mV時(shí)，實(shí)際的輸入電流會(huì)更小。

在考察電流靈敏度時(shí)，相當(dāng)于地層模擬電阻相當(dāng)大，回路電流相當(dāng)小，此時(shí)電路必須工作在高增益情況下，而在考察電路測量動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，則需要考慮整個(gè)放大電路的測量范圍。在擬合曲線中可以看出，在高增益的情況下，對(duì)于采集電流有效值為1.41nA時(shí)，輸出響應(yīng)值仍然在較良好的線性區(qū)間內(nèi)，說明電路對(duì)有效值為1.41nA的微弱電流信號(hào)該范圍的電流仍然有較高的分辨率。然而在實(shí)際的成像圖中，能夠具有區(qū)分度的區(qū)間并不僅僅只包含完全在線性區(qū)間內(nèi)的測量值，當(dāng)測量值在非線性區(qū)間中，只要值仍然能與電路所能測量的最小電流值有一定的區(qū)分度時(shí)，仍然可以得到能夠識(shí)別的成像圖。若定義輸出響應(yīng)值與最小響應(yīng)值的差值為AD轉(zhuǎn)換最小分辨率的兩倍時(shí)，該測量值可認(rèn)定為非線性區(qū)間內(nèi)有足夠區(qū)分度。此處AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)為16位，參考電壓為2.5V，故可計(jì)算得該AD轉(zhuǎn)換器的最小分辨率為：

通過式(5)與測量值可計(jì)算得在輸入電流有效值為0.7nA與未接入電阻時(shí)的測量差值與AD轉(zhuǎn)換器的最小分辨率之間的比例為：

所以可以認(rèn)為，對(duì)于輸入電流有效值為0.7nA時(shí)，仍然可以認(rèn)為相較于空氣噪聲有足夠的區(qū)分度，在成像效果上能夠識(shí)別。

在低增益測量情況下，對(duì)于采集電流有效值達(dá)到1.2mA時(shí)，輸出相應(yīng)值才出現(xiàn)了明顯的非線性，說明該電路能夠響應(yīng)的最大采集電流有效值為1.2mA，動(dòng)態(tài)測量范圍為0.7nA～1.2mA，且在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，測量曲線具有足夠的分辨特性。

5 總結(jié)

針對(duì)微電阻率成像測井儀的測量需求，設(shè)計(jì)了一款高電流靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍測量能力的采集電路，通過實(shí)驗(yàn)表明，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多路微弱信號(hào)的檢測，且對(duì)有效值為1.41nA電流信號(hào)有較為良好的線性度，對(duì)有效值為0.7nA的電流信號(hào)仍能有區(qū)分度，測量動(dòng)態(tài)范圍達(dá)125dB。