過鉆具陣列聲波測井采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯君紅　余厚全　文榮輝　劉付火　鄒驍　陳強(qiáng)　李劍

摘要：針對過鉆具陣列聲波測井對信號(hào)采集電路高精度、大動(dòng)態(tài)、低噪聲、低功耗、高集成度以及各通道同步性好的要求，設(shè)計(jì)一種多通道數(shù)據(jù)采集電路。該電路采用各通道獨(dú)立數(shù)字化方案以保證各通道信號(hào)采集的同步性，采用低噪音儀表放大器作為前置放大器以降低系統(tǒng)噪聲，選用18位ADC擴(kuò)大數(shù)字化動(dòng)態(tài)，ADC輸出采用菊花鏈連接以減少電路連線。實(shí)測結(jié)果表明：12通道采集電路功耗為550mW，噪聲均方根值小于13μV，信號(hào)測量動(dòng)態(tài)范圍達(dá)93dB，單通道采集電路面積為19mm×70mm。因此，設(shè)計(jì)電路既能很好滿足過鉆具陣列聲波測井信號(hào)采集要求，也可作為其他陣列聲波測井信號(hào)采集的參考方案。

關(guān)鍵詞：過鉆具測井;陣列聲波測井;數(shù)據(jù)采集;低噪聲信號(hào)調(diào)理電路;噪聲測試

中圖分類號(hào)：TE135;TB51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）03–0135–04

Design and implementation of acquisition circuit for trough bit array acoustic logging

HOU Junhong1， YU Houquan1， WEN Ronghui1， LIU Fuhuo2， ZOU Xiao2， CHENG Qiang2， LI Jian2

（1. Electronics & Information School， Yangtze University， Jingzhou 434023， China; 2. China Petroleum Logging Co.， Ltd.， Xian 710077， China）

Abstract： In order to meet the requirements for high precision， large dynamic， low noise， low power con- sumption， high integration and good synchronization in through bit array acoustic logging， a multi-channel data acquisition circuit is designed. A channel independent digitization scheme is proposed to ensure the synchronization of each channel. Low-noise instrumentation amplifier is chose as a preamplifier to reduce system noise. 18-bit ADC is used to expand digitization dynamics and the ADC output is daisy-chained to reduce the circuit connection line. The measured results show that the power consumption of the 12-channel acquisition circuit is 550 mW， the noise RMS value is less than 13 μV， the signal measurement dynamic range is 93 dB and the single-channel acquisition circuit area is 19 mm×70 mm. Therefore， the designed circuit not only satisfies the requirements for the acquisition of through bit array acoustic logging， but also can be used as a reference of other array acoustic logging.

Keywords： trough bit logging; array acoustic logging; data acquisition; low noise signal conditional circuits; noise test

0 言

為了滿足大斜井和水平井的測井需求，更好地獲取井周全方位、遠(yuǎn)地層的信息，不斷提高測井效率，聲波測井已從過去電纜全波列聲波測井發(fā)展到隨鉆陣列聲波測井[1-2]，目前正向過鉆具陣列聲波測井發(fā)展。國外除美國斯倫貝謝公司開發(fā)了過鉆具陣列聲波測井儀器外[3]，未見其他國家相關(guān)儀器的研發(fā)報(bào)道。國內(nèi)中國石油測井公司正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，但未見報(bào)道。儀器開發(fā)的主要難點(diǎn)之一是這種測井方式對聲波采集電路提出了更高的要求，主要是：1）多路信號(hào)采集要求同步誤差小于0.1μs;2）儀器等效輸入噪聲<30μV，信號(hào)采集動(dòng)態(tài)≥90dB;3）采集電路板寬度應(yīng)小于20mm;4）電路功耗低，便于電池供電。目前國內(nèi)隨鉆陣列聲波儀器和美國斯倫貝謝公司開發(fā)的過鉆具陣列聲波測井都采用16位ADC數(shù)字化方案[4-8]，無法滿足遠(yuǎn)地層聲波信號(hào)采集的要求。盡管在電纜陣列三維聲波測井中已有采用24位ADC數(shù)字化方案的報(bào)道[9]，但其芯片封裝面積大、功耗高，不適合在過鉆具陣列聲波測井中應(yīng)用。因此，在滿足過鉆具測井對采集電路尺寸和功耗要求的同時(shí)，提高信號(hào)采集精度和動(dòng)態(tài)，就成為一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文針對過鉆具陣列聲波信號(hào)采集需求，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集電路方案，主要特點(diǎn)在于：采用各通道獨(dú)立數(shù)字化設(shè)計(jì)保證多通道數(shù)據(jù)采集的同步性，選用小尺寸18位ADC擴(kuò)大數(shù)字化動(dòng)態(tài)，采用多個(gè)ADC數(shù)據(jù)菊花鏈連接串行輸出方式減少電路板連線和尺寸，很好地滿足了過鉆具測井?dāng)?shù)據(jù)采集的要求。

1 采集電路方案設(shè)計(jì)

圖1為本文提出的陣列聲波多通道采集電路設(shè)計(jì)方案，它由兩部分組成：1）多路聲波信號(hào)采集電路，可接收井筒一個(gè)徑向的多個(gè)傳感器檢測的多路聲波信號(hào)，對其放大、濾波和數(shù)字化;2）聲波采集控制與緩存電路，它接收來自主控單元的指令，對采集電路提供時(shí)序控制，并接收各路采集到的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行編排和緩存，然后根據(jù)主控單元的指令將數(shù)據(jù)傳送至主控單元。

對于采集電路而言，根據(jù)對采集電路各通道同步采集誤差小于0.1μs的要求，采用各通道獨(dú)立同時(shí)采集的數(shù)字化方案。為降低共模噪聲對采集信號(hào)的影響，減少帶外高頻干擾和混疊噪聲干擾，設(shè)計(jì)了低噪聲信號(hào)調(diào)理電路，其由低噪聲儀表放大電路、二階有源低通濾波電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。為了滿足大動(dòng)態(tài)采集和高精度量化的要求，選用18位、速率為1MS/s的逐次比較型ADC芯片，并采用近換能器數(shù)字化方案降低干擾影響。為減少每個(gè)通道ADC的數(shù)據(jù)輸出到采集控制和緩存部分的連線，避免布線過長引起的串?dāng)_和不穩(wěn)定，采用多個(gè)ADC菊花鏈的工作模式，串行傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)多路聲波信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)可根據(jù)具體的實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)8路、12路或16路信號(hào)的同步采集。

控制與緩存電路由采集控制模塊、命令接收和解析模塊、SRAM緩存模塊、采集參數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)整理編排模塊等組成。命令接收和解析模塊用來接收主控單元的命令并解析命令的具體內(nèi)容;采集控制模塊則根據(jù)命令解析的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)和工作時(shí)序，控制信號(hào)的采集、傳輸和存儲(chǔ);數(shù)據(jù)整理編排模塊將ADC輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并按通道順序編排;SRAM數(shù)據(jù)緩存模塊則是緩存一次激發(fā)接收的全部聲波數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)編碼及發(fā)送模塊用來進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)上傳，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸;采集參數(shù)寄存器用來寄存信號(hào)采集的相關(guān)參數(shù)。整個(gè)控制與緩存電路采用FPGA+SRAM的結(jié)構(gòu)，可方便地通過編程擴(kuò)展功能。

2 采集電路具體實(shí)現(xiàn)

2.1 低噪聲模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

低噪聲模擬信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，主要功能是將接收換能器檢測到的聲波信號(hào)進(jìn)行低噪聲差分放大和低通濾波。為了降低系統(tǒng)的等效輸入噪聲，前置放大器選用ADI生產(chǎn)的專用儀表放大器AD8220，它具有高共模抑制比（>100dB）、低輸入噪聲（14nV/√Hz）、低功耗（靜態(tài)電流<750μA）特性。放大增益由外置電阻Rg調(diào)整，通過增益選擇模塊改變增益電阻Rg的值可獲得不同增益。二階有源低通濾波器由低噪聲軌到軌運(yùn)放AD4084和相應(yīng)電阻電容器件連接而成，通過改變反饋電阻Rf的阻值來實(shí)現(xiàn)截止頻率隨采樣率的改變而改變。由于經(jīng)過放大和濾波后的信號(hào)為雙極性單端信號(hào)，根據(jù)ADC器件輸入應(yīng)為單極性差分信號(hào)的要求，增加了ADC驅(qū)動(dòng)器（ADA4940-1）來完成這一轉(zhuǎn)換。

2.2 ADC設(shè)計(jì)

為滿足幅度動(dòng)態(tài)達(dá)90dB、頻率范圍為300Hz～30kHz的信號(hào)接收要求，ADC器件位數(shù)至少為16位，轉(zhuǎn)換速率至少為60kS/s。為了降低對抗混疊濾波器的要求和保證波形描述的精度，ADC的最高采樣頻率應(yīng)為聲波信號(hào)最高頻率的4～10倍。本文選用ADI公司推出的新一代低功耗、高速度、高精度、小尺寸、逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD4007。該芯片轉(zhuǎn)換精度為18位，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)1MS/s，最大功耗為8mW，差分模擬輸入范圍可達(dá)±VREF，工作溫度范圍為–40～125°C，尺寸大小為4.9mm×3mm×0.85mm，具有SPI兼容型多功能串行接口，特別是該器件支持多個(gè)ADC總線的數(shù)據(jù)輸出菊花鏈接法，可以有效減少多通道采集電路的信號(hào)走線。多個(gè)ADC與基于FPGA的控制模塊連接示意圖如圖3所示，可根據(jù)實(shí)際需求選擇ADC個(gè)數(shù)。芯片的以上特性非常適合井下陣列聲波信號(hào)采集。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路噪聲理論估計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路噪聲分布示意圖如圖4所示。假設(shè)前置放大器、低通濾波器、ADC驅(qū)動(dòng)器之間的噪聲互不相關(guān)，其放大倍數(shù)分別為A1、A2和A3，則調(diào)理電路的總噪聲[10]為

信號(hào)調(diào)理電路輸出總噪聲除以電路總增益可得到信號(hào)調(diào)理電路的等效輸入噪聲，其表達(dá)式為

根據(jù)各部分電路噪聲模型[11-12]，查詢芯片的噪聲頻譜密度具體參數(shù)，即可估算出各級電路的等效輸入噪聲。已知前置放大器AD8220的輸入噪聲頻譜密度為38.62nV/√Hz，在30kHz帶寬下等效輸入噪聲為8.38μV;低通濾波器AD4048的輸入噪聲頻譜密度為10.42nV/√Hz，在30kHz帶寬下等效輸入噪聲為2.26μV;ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4940-1的輸入噪聲頻譜密度為11.33nV/√Hz，驅(qū)動(dòng)電路帶寬為40kHz時(shí)的等效輸入噪聲為2.84μV。當(dāng)前置放大電路增益A1為2.7，低通濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器增益均為1時(shí)，根據(jù)式（2）計(jì)算出信號(hào)調(diào)理電路等效輸入噪聲為8.48μV。

3 測試結(jié)果與分析

按上述的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了陣列聲波12通道采集電路，并對評價(jià)采集電路的性能指標(biāo)進(jìn)行了噪聲和信號(hào)測試。

3.1 噪聲測試

進(jìn)行噪聲測試時(shí)將差分輸入短接，通過對采集到的樣本點(diǎn)求均方差值作為噪聲估計(jì)。當(dāng)調(diào)理電路增益為2.7時(shí)，等效輸入噪聲波形如圖5（a）所示，等效輸入噪聲值12.9μV。已知ADC的最大測量范圍為–2.46～2.46V（ADC的實(shí)際參考電壓為2.46V），調(diào)理電路增益為2.7時(shí)采集電路的最大輸入信號(hào)峰峰值可達(dá)1.8V。計(jì)算信噪比，其表達(dá)式為[13]

通過式（3）得到其對應(yīng)的最大的信噪比為93dB，表明該采集電路的噪聲低，測量動(dòng)態(tài)范圍大。

3.2 信號(hào)測試

由信號(hào)發(fā)生器輸出頻率分別為4kHz和8kHz，峰峰值為1.8V的正弦信號(hào)，采集電路數(shù)字化的波形如圖5（b）所示。采樣率為100kS/s時(shí)，8kHz信號(hào)的采樣波形有些失真，其原因是每周期采樣點(diǎn)數(shù)（12.5個(gè)樣本/每周期）相對于4kHz信號(hào)（25個(gè)樣本/每周期）減少了一半。

由于實(shí)驗(yàn)室沒有低幅值、高精度信號(hào)發(fā)生器，為了測試采集電路對小信號(hào)的數(shù)字化性能，采用普通信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為10mV、頻率分別為4kHz和8kHz的正弦信號(hào)，然后通過電阻分壓將其衰減1/10，形成峰峰值為1mV的信號(hào)送給采集電路進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)字化的波形如圖5（c）所示。

信號(hào)測試結(jié)果表明，無論是對大幅度信號(hào)還是小幅度信號(hào)，多通道采集電路的數(shù)字化波形無畸變和毛刺，電路工作性能穩(wěn)定，具有良好的大動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)檢測性能。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)過鉆具陣列聲波測井對信號(hào)采集的要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種陣列聲波信號(hào)采集電路。相對于國內(nèi)外隨鉆和過鉆具陣列聲波儀器采用的16位ADC數(shù)據(jù)采集方案而言，本文采用了18位ADC的數(shù)字化方案，在滿足電路功耗和尺寸的前提下，將信號(hào)采集動(dòng)態(tài)擴(kuò)大了12dB。與此同時(shí)，多通道ADC的輸出數(shù)據(jù)采用菊花鏈連接的串行輸出方式，既減少了電路板上的走線和電路板之間的連線，減小電路板尺寸，提高了抗干擾能力，同時(shí)也增加了采集通道的可擴(kuò)展性。因此，該電路設(shè)計(jì)不僅對過鉆具陣列聲波測井有重要的實(shí)用價(jià)值，也為其他方式的陣列聲波測井采集電路的設(shè)計(jì)提供了可行的參考方案。

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（編輯：商丹丹）