用于雙側向測井儀的信號濾波電路設計

王永濤，王書純，朱珺，邵春

（1.中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北武漢 430074；2.湖北科技職業學院電信工程學院，湖北武漢 430070；3.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

雙側向測井是地質鉆井檢測中一種常用的電阻率測井方法，其聚焦式電極陣列測得的視電阻率更接近于地層的真電阻率，為分辨出油層、煤層、水層等自然資源提供了重要的依據[1-3]。高分辨率分層是雙側向測井儀器的重要指標之一[4]，為了提高地層分辨精度，現有研究最多的是井下探頭電極陣列結構，通過多電極結構的變換組合，提高分辨率[5-8]；此外，對信號數字處理的研究也比較多，但對于采集電路前端模擬信號的處理，尤其信號模擬濾波的研究比較少。文中設計并實現了兩種帶通濾波器電路，用于減少鉆井周圍的噪聲干擾，提高測井儀器的檢測精度。

1 總體設計思路

雙側向測井儀作業示意圖如圖1 所示，儀器由主控制器、電纜盤、地電極和探頭四部分組成，其中結構最復雜的是探頭。探頭除了內部電路部分外，外表面由9 個環形導電電極構成，從上到下依次為A2、A1、N、M、A0、M′、N′、A1′、A2′，電極之間用絕緣材料填充隔離[9-11]。雙側向測井儀可以實現深側向和淺側向兩種儀器功能，深側向檢測距離在1 m 以上，可以檢測到鉆井外原始圍巖電阻率；淺側向檢測距離較近，可以檢測鉆井外液體浸沒區域的電阻率。儀器其他部分功能不予詳述，文中主要介紹測量信號濾波電路的設計和實現。

圖1 雙側向測井儀作業示意圖

根據雙側向測井儀的設計要求，兩種儀器同時工作且不能互相干擾，深側向發射32 Hz 交流信號，信號檢測電路采用帶通濾波器，中心頻率為32 Hz，信號-3 dB 衰減時通帶區間寬度為5 Hz，信號-60 dB衰減時通帶區間寬度為40 Hz。淺側向發射128 Hz交流信號，帶通濾波器電路中心頻率為128 Hz，信號-3 dB 衰減時通帶區間寬度為10 Hz，信號-60 dB衰減時通帶區間寬度為60 Hz。文中后續部分圍繞這個要求，采用兩種方案分別設計電路并實現濾波功能。

2 信號濾波電路設計

2.1 高階巴特沃茲帶通濾波電路設計

根據雙側向測井儀信號采集濾波目標要求，方案一使用巴特沃茲帶通濾波器，其效果相對于其他類型，通帶區間內信號響應是平坦的，對于存在頻散效應的地層，只要信號在通帶內，對結果影響很小。采用四級二階巴特沃茲帶通濾波器級聯，構成八階帶通濾波器來滿足要求，設計框圖如圖2 所示。前端電路中信號源自探頭電極，信號經過變壓器和初步放大后，進入帶通濾波器，篩選調理后分別得到兩種儀器各自的有用信號，再分別進入對應的電壓檢測電路。

圖2 方案一濾波器電路設計框圖

巴特沃茲八階帶通濾波器的核心單元是二階濾波電路，如圖3 所示。濾波電路主要由電阻、電容以及運算放大器構成，設計簡單實用。運算放大器采用HJ086，四運放單片集成剛好可以滿足八階濾波需求；采用全密封陶瓷微封裝特殊工藝設計，工作溫度范圍為-55～+200 ℃，適用于石油鉆井中高溫條件下長期穩定工作。200 ℃高溫環境下，HJ086 轉換速率為13 V/μs，對大小信號都能快速反應，輸入失調電壓典型值為2 mV，且隨溫度變化基本保持不變，便于補償，共模抑制比可達100 dB，這些特性保證了帶通濾波器能在復雜極端環境下高性能工作。

圖3 二階帶通濾波器電路原理圖

在巴特沃茲二階帶通濾波器電路中，電阻為1%精度200 ℃高溫電阻，電容為5%精度200 ℃高溫電容，以保證濾波電路在惡劣環境下穩定運行。表1 列出了電路中的電阻和電容值。為了保持電路一致性和后續修改的靈活性，每個二階模塊都按照圖3設計，其中A1-A4 是深側向的4 個二階模塊，等效品質因數Q值分別為16.8、16.8、6.93、6.93；A5-A8 是淺側向的4 個二階模塊，Q值分別為31.9、31.9、13.2、13.2。表1 中A3、A4的R4、R5電阻值N 表示斷路，也就是實際電路中不焊接電阻。同時，由于高溫器件不易購買，為了降低實際電路焊接調試的難度，在設計時不同的二階模塊盡量使用相同值的電阻和電容。

表1 濾波電路電阻電容值

由于巴特沃茲二階帶通濾波器電路中電阻、電容精度的原因，實際電路電壓增益會出現偏差。以深側向32 Hz 信號為例，按照表1 中參數設計，使用ADI 公司filterwizard 軟件仿真，實際電路電壓增益如如圖4 所示。圖中陰影部分表示可能的增益，在中心頻率處電壓增益0.2～6.5 倍不等（陰影部分中的實線為理論值），這一現象在小批量生產的10 臺儀器實測中也被驗證，即使使用同一批次的原材料，電路焊接后，每臺儀器中心頻率處電壓增益略有不同，為了保證儀器的檢測精度和后續統一定標，在濾波電路后面加入信號調理電路，校正32 Hz 處電壓增益，將其統一為一倍增益。

圖4 深側向濾波電路電壓增益仿真圖

以上設計的巴特沃茲八階帶通濾波器電路很好地完成了濾波任務。經測試，深側向濾波電路-60 dB衰減阻帶區間位于17.7 Hz 和57.7 Hz 之外，淺側向濾波電路-60 dB 衰減阻帶區間位于95.6 Hz和156 Hz之外。兩種電路均把大地中逸散的50 Hz 市電以及其二次、三次諧波壓制到很小的值，濾除了檢測過程的市電強電流干擾[12-14]。

2.2 專用芯片濾波電路設計

根據雙側向測井儀信號采集目標要求，方案二使用專用芯片為核心電路設計帶通濾波器，設計框圖如圖5 所示。框圖中前端電路和后端信號調理電路的作用與方案一設計中功能相同，在此不再贅述。專用芯片電路采用LINEAR 公司生產的濾波器芯片LTC1068，這款芯片的濾波中心頻率低至1 Hz，特別適合于低頻地質儀器設備，可以自由設計成低通、高通、帶通濾波器。該方案應用LTC1068 為核心電路設計成八階帶通濾波器，完成雙側向測井儀信號采集設計任務。

圖5 專用芯片濾波器電路設計框圖

LTC1068 濾波電路原理圖如圖6 所示，LTC1068芯片單片集成了4 個二階濾波單元，分別為二階單元A、B、C、D。考慮到芯片的引腳位置便于電路板布線，把4個二階濾波單元分成兩組，單元A和D為一組，單元B 和C 為另一組，信號從芯片1 腳輸入，從芯片17腳輸出。在LTC1068芯片濾波電路部分，深側向和淺側向硬件電路完全相同，唯一區別是輸入時鐘FCLK不同。圖6 實現的濾波器中心頻率fC為FCLK 的1/128，-3 dB 通帶 范圍為fC的0.88～1.12 倍，即深側向儀器中心頻率為32 Hz，FCLK為4.096 kHz，-3 dB 通帶范圍為28.16～35.84 Hz；淺側向儀器中心頻率為128 Hz，FCLK 為16.384 kHz，-3 dB 通帶范圍為112.64～143.36 Hz。

圖6 LTC1068濾波電路原理圖

表2 以深側向儀器為例，給出了LTC1068 濾波電路參數，其中，fC的值為32 Hz。根據芯片資料，計算并分別列出了4 個二階濾波單元的中心頻率f0、Q值和濾波器類型。

表2 LTC1068濾波電路參數

同理，淺側向儀器4 個二階濾波單元的中心頻率分別為105.2 Hz、126.8 Hz、111.6 Hz、144.8 Hz，級聯構成的八階帶通濾波器的中心頻率為128 Hz。

LTC1068 帶通濾波器的fC與輸入時鐘FCLK 呈倍數關系，FCLK 決定了很多重要參數。方案二中采用硅振蕩器和FPGA 聯合電路，實現數字可編程的精確頻率輸出，從而驅動LTC1068 的FCLK 引腳。硅振蕩器采用芯片LTC6930-4.19，其原理圖如圖7 所示，輸出頻率CLK 由DIVC、DIVB、DIVA 三個控制引腳決定。控制引腳接到儀器MCU 的IO 口上，根據輸入信號的變化實時改變帶通濾波器參數，進而擴充該方案的使用范圍。CLK 輸出范圍為32.768 kHz～4.19 MHz，該方案中3 個控制引腳邏輯默認為“111”，CLK 輸出為32.768 kHz，接入到FPGA 芯片EP4CE22 E22I8LN中[15-16]，經過八分頻后輸出深側向儀器需要的FCLK1 頻率值4.096 kHz，經過二分頻后輸出淺側向儀器需要的FCLK2 頻率值16.384 kHz。

圖7 硅振蕩器LTC6930-4.19原理圖

3 兩種濾波電路對比及應用

前面詳細闡述了兩種濾波方案，一種是巴特沃茲八階帶通濾波器電路，其特點是簡單實用，濾波效果好，可用于深度大于2 000 m 的石油鉆井中；另一種是以專用芯片LTC1068 為核心的帶通濾波器，特點是可編程配置中心頻率，靈活性好，可用于深度小于1 000 m 的煤炭和礦產普查鉆井中。表3 列出了兩種濾波電路詳細性能。

表3 兩種濾波電路性能對比

圖8和圖9是用巴特沃茲八階帶通濾波器分別檢測深側向儀大、小信號的濾波實驗效果圖。圖10 和圖11 是以專用芯片LTC1068 為核心的帶通濾波器分別檢測淺側向儀大、小信號的濾波實驗效果圖。實驗效果圖用示波器觀測所得，四張圖中上半部分顯示的是濾波后的信號，下半部分顯示的是濾波前的信號，從實驗圖中發現兩種濾波器實際運行效果都較好。

圖8 深側向儀小信號濾波

圖9 深側向儀大信號濾波

圖10 淺側向儀小信號濾波

圖11 淺側向儀大信號濾波

4 結論

文中對雙側向測井儀信號濾波電路進行了研究，設計并實現了兩種濾波器，分別為巴特沃茲八階帶通濾波器和專用芯片LTC1068 帶通濾波器。實驗結果表明，兩種濾波器對深側向儀和淺側向儀的大、小信號都具有很好的濾波效果，電路實用性高，性能穩定，可廣泛用于檢測石油鉆井和地質普查鉆井，具有良好的市場應用前景。