一種多側(cè)向測(cè)井儀器的主控電路設(shè)計(jì)

張全文 韓偉(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 065201)

一種多側(cè)向測(cè)井儀器的主控電路設(shè)計(jì)

張全文 韓偉(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 065201)

本文論述了對(duì)六路DDS模塊電路的正弦信號(hào)幅度和相位的控制；完成了對(duì)五個(gè)通道，并且每個(gè)通道含有6個(gè)頻率信號(hào)的快速相敏檢波算法；實(shí)現(xiàn)了五路接收信號(hào)的自動(dòng)幅度控制和疊加運(yùn)算；以及對(duì)發(fā)射信號(hào)的幅度監(jiān)測(cè)和通信接口的實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，該多側(cè)向石油測(cè)井儀器主控電路穩(wěn)定可靠地工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

DDS模塊；相敏檢波算法；幅度控制；幅度監(jiān)測(cè)

多側(cè)向測(cè)井儀是基于側(cè)向聚焦的基本原理?？梢来螛?gòu)成徑向上由淺入深的多種不同探測(cè)深度的地層電阻率測(cè)量，詳細(xì)描述地層侵入剖面，同時(shí)具有較好的薄層分辨能力。由于該儀器能夠測(cè)得多條測(cè)井曲線的數(shù)據(jù)，這就使得多參數(shù)反演成為可能，為測(cè)井解釋提供豐富的資料。而多側(cè)向測(cè)井儀的主控電路是其核心電路之一，可以完成了多路DDS模塊的幅度和相位控制；實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的快速相敏檢波算法；實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的自動(dòng)幅度控制和疊加運(yùn)算；以及對(duì)發(fā)射信號(hào)的幅度監(jiān)測(cè)和通信接口的實(shí)現(xiàn)。

1 電路總體設(shè)計(jì)

首先，多側(cè)向測(cè)井儀的主控電路會(huì)通過(guò)通信接口電路接收地面軟件的命令，主控電路的FPGA接收到命令并譯碼，并通知DSP[1]進(jìn)行相應(yīng)的控制和操作。然后DSP會(huì)根據(jù)需要并要求FPGA向6路DDS模塊寫入相應(yīng)的頻率和相位控制字，同時(shí)要求FPGA向前放板發(fā)送信號(hào)采集命令。最后，F(xiàn)PGA通過(guò)通信接口電路，接收到前放板的信號(hào)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給DSP處理器，DSP會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，并將最后的運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給地面軟件，從而完成了儀器的1次完整的信號(hào)采集與處理工作。

2 DDS模塊電路

DDS模塊電路的核心芯片為AD9832[2]，該芯片主要由數(shù)控振蕩器(NCO)和相位調(diào)制器、正弦查詢表和一個(gè)10bit的D／A轉(zhuǎn)換器組成。

AD9832的輸出頻率fout由時(shí)鐘頻率fclk和頻率控制字△phase決定。通過(guò)改變△phase的值來(lái)控制輸出頻率大小。

fout=(Δphase/2N)fclk，(1)

其中：N為相位累加器的位數(shù)，AD9832的相位累加器有32 bit。根據(jù)采樣定理，DDS的最高輸出頻率fmax≤fclk/2，實(shí)際應(yīng)用中一般只能達(dá)到40%的fclk[3]。若時(shí)鐘頻率fclk=12 MHz，要產(chǎn)生的fout=300Hz，則頻率控制字為△phase=232*fout/fclk= 1A36E(H)。AD9832的最小頻率分辨率△f=(1/232)fclk，與其他頻率合成方法相比，它的分辨率是很高的。

實(shí)際設(shè)計(jì)的DDS模塊電路，其中，MCLK是DDS模塊AD9832的工作頻率，F(xiàn)PGA通過(guò)SYN_SCLK，SYN_SCLK，SYN_SDATA的通信接口，向AD9832發(fā)送頻率和相位控制字，使得AD9832產(chǎn)生需要的起始相位和頻率信號(hào)。

3 相敏檢波算法

數(shù)字信號(hào)處理的目的常常為了得到信號(hào)的電流幅度AI和電壓信號(hào)的幅度AV，以及它們間的相位差ψ。假設(shè)接收到的復(fù)合信號(hào)A（t）為：

假設(shè)采樣區(qū)間為T,現(xiàn)在對(duì)（1）式在進(jìn)行傅里葉變換，得

其中，T為被測(cè)信號(hào)的周期，f0為發(fā)射信號(hào)的頻率，A為被測(cè)信號(hào)的幅度，C為比例因子。計(jì)算被測(cè)信號(hào)的幅度電壓：。設(shè)計(jì)中選用FPGA控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給DSP（TMS320F28335）。該DSP為浮點(diǎn)DSP，進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算速度快，同時(shí)避免了之前的定點(diǎn)DSP運(yùn)算累加和結(jié)果容易溢出的現(xiàn)象。由于采樣頻率為8KHz，因此，DSP要在125us內(nèi)完成信號(hào)的95bit信號(hào)的接收，以及累加運(yùn)算。

4 自動(dòng)幅度與相位控制

首先，多側(cè)向測(cè)井儀共有6路發(fā)射信號(hào)，如果發(fā)射信號(hào)發(fā)生飽和，就會(huì)影響信號(hào)檢測(cè)的精度。因此，主控電路要實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而發(fā)射信號(hào)發(fā)生飽和時(shí)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可知，該信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生奇次諧波。設(shè)計(jì)中選用發(fā)射頻率的3倍頻作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。當(dāng)發(fā)射信號(hào)某個(gè)頻率的3倍頻的幅度值超過(guò)50，就會(huì)設(shè)置要求降低發(fā)射信號(hào)的標(biāo)志。設(shè)計(jì)中一共實(shí)現(xiàn)了6路發(fā)射電壓、6路發(fā)射電流的3倍頻信號(hào)的幅度計(jì)算，從而完成了對(duì)發(fā)射信號(hào)幅度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

其次，主控板還要接收5個(gè)增益通道的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中有2個(gè)高、低增益通道的電壓數(shù)據(jù)，3個(gè)高、中、低增益通道的電流數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)中只有1路增益的電壓數(shù)據(jù)和1路增益的電流數(shù)據(jù)可以使用。因此，主控電路需要選擇合適增益的數(shù)據(jù)，同時(shí)要根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合適地調(diào)整發(fā)射信號(hào)的幅度。

最后，為了提高信號(hào)幅度計(jì)算的精度和穩(wěn)定性，主控電路還要控制發(fā)射信號(hào)的相位，從而使得信號(hào)采集每次采集都可以從相同的相位進(jìn)行采集。同時(shí)，主控電路根據(jù)測(cè)井時(shí)間的需要，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次疊加，有利于較大提高信號(hào)幅度計(jì)算的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

多側(cè)向測(cè)井儀的主控電路采用數(shù)字相敏檢波技術(shù)，可以準(zhǔn)確高效地檢測(cè)信號(hào)幅度，并可以為信號(hào)發(fā)射模塊提供優(yōu)良的信號(hào)源，同時(shí)可以快速地調(diào)整發(fā)射信號(hào)的幅度。實(shí)踐證明，該電路可以穩(wěn)定可靠的工作，通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)驗(yàn)，滿足實(shí)際作業(yè)的要求。

[1]劉陵順，高艷麗等著.TMS320F28335 DSP原理及開(kāi)發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[2]Programmable Waveform Generator AD9832.Rev.B Analog Devices,Inc.2010.

[3]張林，趙俊渭.一種基于DDS AD9832的帶噪聲低頻信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù).Vol31 No.5 Jan.2007.

[4]李念強(qiáng)，張煥春.數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表.Vol.38 No.425 May.2001.

張全文，(1982-)，工程師，2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)(成都)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)在中海油服油技研究院工作。