油基泥浆电成像测井仪器微弱电流检测电路设计*

张全文，于增辉，张志刚，张延峰

(中海油田服务股份有限公司 北京 101149)

·开发设计·

油基泥浆电成像测井仪器微弱电流检测电路设计*

张全文，于增辉，张志刚，张延峰

(中海油田服务股份有限公司 北京 101149)

针对油基泥浆电成像测井仪器电流信号微弱、信号数量多、动态范围大的特点，设计了一种基于CPLD的微弱电流信号检测电路。结合微弱电流信号的特点主要讨论了低噪声流压转换电路的设计、放大滤波电路的设计及电路噪声的计算方法。设计中由CPLD实现模数转换电路的时序控制，电路最终完成26路信号有序的采集操作。实践表明，该电路能够稳定可靠地工作，达到了井下仪器信号采集的要求。

微弱电流检测；电流电压转换；滤波电路；噪声计算

0 引 言

测井技术依据电、声、核、磁等各种物理原理，采用先进的电子技术和信息处理技术，采集丰富的地下信息，为石油勘探开发提供极为重要的资料。而对于电法测井仪器，需要通过测量电流、电压等参数获取地层的电阻率信息，从而可以根据电阻率信息计算出地层含油饱和度，或者是根据地层电阻率变化来呈现地层图像，丰富地层解释资料。目前，电法测井技术向着探测器布置的阵列化与集成化、信号采集高速数字化、工作频率和幅度可控化等方向发展。但是，对于高电阻率的地层，往往只有纳安级的电流信号，而对于低电阻率的地层，具有毫安级的电流信号。这种电流信号弱、动态范围宽的特点，不利于电法测井新技术的应用。为有效检测这种微弱信号，本文从多个方面阐述提高信噪比的方法，实现阵列化采集多路微弱电流的电路设计。

1 电路总体设计

微弱电流检测电路用于接收动态范围达95 dB的频率为1 MHz的正弦模拟信号，完成26路电流小信号的放大、滤波功能，并利用CPLD控制模数转换器进行模数转换，最后将模数转换结果通过串口传送给信号处理模块。

微弱电流检测电路硬件原理框图如图1所示。

图1 微弱电流检测电路硬件原理框图

CPLD芯片通过同步串口接收上位机的命令。CPLD接收到命令后设置相应的工作状态，即内测试或测井状态。电流检测电路开始进入信号采集阶段，该阶段中要同时采集两路电流信号，每路电流信号都要经过电流转换成电压，电压信号再经过两路增益放大，即低增益放大和高增益放大，这两级增益信号要在模拟开关的配合下被分时采集。单片机控制前端模拟开关，每次选择两路信号，共完成13次开关切换，实现26路信号的采集操作，同时CPLD会将每次采集的数据以1 Mb/s的速率发送到上位机。设计中将每路的高、低增益信号都进行了采集，当信号过小时，数据处理算法可以选用高增益的数据，相反，则选择低增益的数据。虽然增加了设计的硬件复杂度，但却高效率的完成整个动态范围内的信号检测。由于不同通道的增益电路会有误差，设计中还可以产生标准的刻度信号，从而完成各个通道的增益进行刻度，使得各个通道的增益保持一致。

2 电流电压转换电路的设计

常用的电流转换电压的方法是直接在被测电路中串入精密电阻，通过采集电阻两端的电压来实现电流电压的转换，这种方法的优点是测量简单方便。但当被测电流很小，且被测电路中串入的电阻阻值又较小时，从电阻上取得的电压值可能太小，影响转换准确度。而另一种结合运算放大器的电阻反馈法和电容反馈法的流压转换电路，在转换精度方面有了较大的提高。其中电阻反馈法又分为单电阻反馈法和T型电阻反馈法等。但是T型电阻反馈法电路复杂，电容反馈法会因为信号中含有直流成分易使输出电压饱和。本采用结合运算放大器的单电阻反馈法电路实现电流电压的转换。

流压转换电路的硬件原理图如图2所示。

图2 流压转换电路的硬件原理图

微弱电流信号检测电路对流压转换电路的设计有很高的要求，如果流压转换电路产生较大噪声，该噪声就会被后级放大电路进行放大，从而降低信噪比，影响信号的检测。而要减小流压转换电路的总输出噪声，就要减小噪声增益和运算放大器的噪声。图2信号源V1为电压源，电阻Rt模拟地层电阻，其中电容C1的作用是进行相位补偿，防止电路自激，同时起到抑制高频噪声的作用，电容C2有抑制低频噪声和隔除直流电的作用，R2是反馈电阻，R1是模拟开关导通时的等效电阻。模拟地层电阻Rt远大于R1、R2、R3，计算中可以不考虑。如果没有电阻R3，则此时的流压转换电路的噪声增益为GN=1+R2/R1，反馈电阻R2至少为几k欧姆，由于开关导通电阻比较小，这样噪声增益必然会很大，不利于信号的检测。当在模拟开关的输入端接入与R2相同级别阻值的R3电阻，此时电路的噪声增益为GN=1+R2/(R1+R3)，这样就极大的降低了电路噪声增益。经过软件仿真和实际电路验证，电阻R3的作用的确降低了电路噪声，从而影响信号的检测。并且，选择合适的电容C2和C1，可以使电路具有较小的信号带宽，有利于噪声的抑制。同时，设计中选用于流压转换的运算放大器为LT1128芯片，该芯片具有适合于流压转换的三个特性：即有较小的输入偏置电流、输入偏置电压以及噪声。对于噪声特性会在噪声计算部分进行详细讨论。

3 放大与滤波电路设计

滤波器的作用是从各种频率成分的模拟信号中，只允许必要的信号通过，而将不需要的信号滤除，从而达到抑制干扰的目的[1]。本文设计了两级增益放大滤波电路，每一级放大电路都是一个带通滤波电路。其中，低增益放大电路与高增益放大电路结构不完全一样，低增益放大电路多了一个反馈电阻，目的是设计合适的带宽，有利于后级高增益放大电路的设计。

放大与滤波电路的原理图如图3所示。

图3 放大与滤波电路原理图

其中运算放大器U1A、U1B选用的是OPA2211。U1A的输出为低增益输出，放大倍数为1倍，U1B的输出为高增益输出，放大倍数为100倍。U1A、U1B的外围电路都分别构成二阶有源带通滤波器[2]。

低增益放大电路的系统函数为：

(1)

高增益放大电路的系统函数为：

(2)

在滤波器理论中，常将二阶带通滤波系统函数表示成如下形式[3]：

(3)

以高增益放大滤波电路为例，该电路的中心频率f0，品质因数Q，带宽BW，放大增益G的计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

根据式(4)～式(7)，设计中，先是大致确定电阻值，使其满足电路的增益关系，调节电容值，使其满足电路的中心频率，然后再微调电阻和电容值，使其满足电路带宽和品质因数等要求。由于电阻会产生热噪声，所以设计中选用阻值尽量小的电阻，减少对信号的干扰。

4 噪声计算

电流电压转换电路选用运算放大器LT1128实现流压转换。根据LT1128的数据手册可知，该芯片的电流噪声密度In1、电压噪声密度en1。流压转换电路的输出噪声主要由五部分构成，即电压噪声密度en1、电流噪声密度In1、电阻R1的热噪声e1、电阻R2的热噪声e2、电阻R3的热噪声e3。设计的流压转换电路信号带宽B1=6.8 kHz，，噪声增益GN=1.5，则流压转换电路的输出噪声et1为：

(8)

低增益放大滤波电路的运算放大器选用的是OPA2211芯片，根据LT1128的数据手册可知该芯片的电压噪声密度en2、电流的噪声密度In2。噪声增益为1，信号带宽B2=6.62 kHz。而低增益放大滤波电路的输出噪声[4]由六部分构成，即则流压转换电路的输出噪声et1，电压噪声密度en2、电流噪声密度In2、电阻R4的热噪声e4、电阻R5的热噪声e5、电阻R6的热噪声e6。低增益放大滤波电路的输出噪声et2为：

(9)

而高增益放大滤波电路的噪声增益为100，信号带宽B3=1.53 kHz，同理，可得高增益放大滤波电路的输出噪声et3=0.55mV

根据式(8)、(9)可知，电路的噪声增益对输出噪声的影响非常明显。例如，流压转换电路中的电阻R3为10 Ω，则流压转换电路的噪声增益就会增加很大，电路的输出噪声就会明显提高。同时，设计中还尽量减小电路的信号带宽，选用较小的电阻值等，以减弱电路中的噪声。

5 测试结果分析

除了上述讨论的减小噪声，提高信噪比的各种措施以外，降低电源噪声，也是不可忽视的手段。其中，不仅在电源的设计中，要尽量减小噪声，还要注意电源的传输过程中引起的噪声。同时，要减少模拟信号的传输路径，尽可能的把模拟信号数字化，从而减少模拟信号被干扰的途径。电路没有优化时，且没有加入输入信号时采集的噪声数据见表1，其中数据为模数转换器的量化结果。综合各种减小噪声因素，对电路进行优化后采集的噪声数据见表2。

表1 电路优化前采集的噪声

表2 电路优化后采集的噪声

同时，模拟地层电阻R在10 kΩ～100 MΩ范围内线性变化时，电路可以检测到表3所示的数据，其中数据为模数转换器的量化结果。将模拟地层的电阻R和电流数据I进行取对数，缩小数据范围后，可以得到检测电流与模拟电阻的关系图，得到拟合直线与原始数据几乎重合，设计的电路可以在整个动态范围内具有良好的线性特性。

表3 模拟地层电阻与电流数据的对应关系

6 结束语

根据油基泥浆电成像测井仪器的信号检测需求，设计了一种基于CPLD的微弱电流信号检测电路。实验结果表明，该电路可以实现多路微弱、大动态范围的电流信号的检测。并且该电路可以在高温环境下稳定可靠的工作，通过了油田现场作业的实验，满足实际作业的要求。

[1] 彭 军. 运算放大器及其应用[M].北京:科学出版社,2008:45-46.

[2] 赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].刘树棠，译.西安:西安交通大学出版社,2010:30-32.

[3] 郑君里. 信号与系统(第二版,上册)[M].北京:高等教育出版社,2000:55-57.

[4] 王林涛.低噪声光电检测电路的设计和噪声估算[J].武汉理工大学学报,2001,23(1)：32-34.

Design of the Weak Current Signal Detection Circuit for Oil-base Mud Electric Imaging Logging Tools

ZHANG Quanwen， YU Zenghui， ZHANG Zhigang， ZHANG Yanfeng

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing，101149，China)

The weak current signal detection circuit is designed based on CPLD with view to the problems of weak and wide dynamic range of the current signals for oil-base mud electric imaging logging tool. Combining the characteristics of a weak current signal flow, the design of low-noise voltage converter circuit, amplifying filtering circuit and the calculation method of circuit noise are mainly discussed. The timing control of analog-digital conversion circuit is realized by CPLD, the circuit ultimately completes the orderly operation of 26-channel signals acquisition. The practice shows that the circuit can work stably and reliably, meet the requirements of downhole instrument signal acquisition.

weak current detection; current-voltage conversion; filter circuit; noise calculation

大型油气田及煤层气开发科技重大专项(三维声波、油基泥浆电成像、二维核磁成像测井技术与装备 编号：2011ZX05020-005)

张全文，男， 1982年生，工程师，2009年毕业于电子科技大学(成都)测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，现主要从事电法测井仪器设计与维修工作。E-mail：zhangqw7@cosl.com.cn

P631.8+

A

2096-0077(2017)01-0029-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.007

2016-06-07 编辑：高红霞)