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硕士论文井下参数测试仪的研制 摘要 在测并技术中，电法测井是一种应用广泛的测井技术。电法测井就是通过测井仪 器的响应值来推测地下介质的物理参数，其中激发极化测井技术是一种重要的电法测 井技术。传统的电法测并仪器存在着体积庞大、使用不便、测量精度不高、测井解释 复杂等问题，因此，研制新型井下参数测试仪器对于石油勘探具有重要意义，改进传 统井下参数测试仪的种种缺陷，研制出新型井下参数测试仪器正是本论文的目的。 本文所研制的井下参数测试仪是一个以单片机a t 8 9 c 5 5 为核心的嵌入式系统，并 配有小键盘、l e d 显示器、串行通信接口、绘图仪接口等多种人机交互接口，软件上 利用实时操作系统r t x - 5 1 来进行系统程序的编制，使得整个系统的实时性和可靠性得 到了较好的保证。 本文的研究工作主要表现在以下几个方面： 1 ) 根据井下参数测试的理论，给出了一种井下参数测试仪的设计方案。 2 ) 根据测试要求，设计了以a t 8 9 c 5 5 为核心的嵌入式系统、相关的接口电路以 及可以在强电磁干扰环境下工作信号调理电路。 3 ) 利用实时操作系统r t x 一5 1 及c 5 1 编写了一套工作可靠、实时性好、模块化 程度高的软件系统。 总之，现场的测试证明本系统在软件和硬件方面的设计都是合理可行的。 关键词：激发极化测井，a t 8 9 c 5 5 ，r t x 一5 1 ，信号调理，c p l d ，v h d l 硕士论文井下参数测试仪的研制 a b s t r a c t e l e c t r i c a ll o g g i n gi sw i d e l yu s e di nl o g g i n gt e c h n o l o g i e s t h em e t h o dt o d e d u c et h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fs o i ll a y e ra c c o r d i n gt ot h er e s p o n d e n c e o ft h el o g g i n gt o o l si sc a l l e de l e c t r i c a ll o g g i n g i n d u c e dp o l a r i z a t i o n p o t e n t i a l ( i p r ) l o g g i n gt e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a l l o g g i n g a n d f o rt h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s ，t h e r e a r es e v e r a l d i s a d v a n t a g e s ， s u c ha sb i gv o l u m e ，n o te a s yf o ru s e ，l o wp r e c i s i o nw h i c h c o u l d n tm e e tt h en e e do fw e l ll o g g i n g ，a n dd i f f i c u l t i e si nl o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n s oi ti si m p o r t a n tt od e s i g na n e wk i n do fl o g g i n gi n s t r u m e n t f o ro i le x p l o r a t i o n t oi m p r o v et h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa n dd e s i g nan e w o n ei st h i st h e m se m p h a s i z e d t h ed e t e c t i v ei n s t r u m e n tf o rs e n s i n go i l i e l ld a t ad e v e l o p e di nt h i s t h e s i si sa ne m b e d d e ds y s t e mw i t ht h ec o r eo fa t 8 9 c 5 5 w h a t sm o r e ，t h e e m b e d d e d s y s t e m i n c l u d e ss e v e r a li n t e r f a c e s f o rh u m a n r o b o t i n t e r a c t i o n ，s u c ha sk e y b o a r di n p u t ，l e dd i g i t a ld i s p l a yt u b e s ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ei n t e r f a c ef o rp l o t t e r t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi s b a s e do nr t x 一5 1 ，a n dt h i sh a sb e e ni m p r o v e dt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n d r e l i b i l i t yo ft h es y s t e m t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ee l e c t r i c a ll o g g i n g ，ad e s i g nf o rt h e d e t e c t i v ei n s t r u m e n t f o rs e n s i n go i l - w e l ld a t ai sp r e s e n t e d 2 ) a c c o r d i n gt ot h ew e lll o g g i n gr e q u i r e m e n t ，t h ee m b e d d e ds y s t e mw i t h a t 8 9 c 5 5 ，i n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dt h et h ec i r c u i to fs i g n a la d j u s t i n g w h i c hc a nw e l lw o r ku n d e rs t r o n ge l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r h a n c ea r e d e s i g n e d 3 ) as o f t w a r es y s t e mw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e a n dm o d u l ea r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e db a s e do nr t x 一5 1a n dc 5 1 i naw o r d ，t h ef i e l dt e s t i n gr e s u l tn i c e l yp r o v e st h es t a b i l i t yd e s i g n i nb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e y w o r d ：i n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a l ( i p r ) l o g g i n g ， a t 8 9 c 5 5 ，r t x - 5 1 ，s i g n a la d j u s t i n g ，c p l d ，v h d l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：主! ：垒矽“年6 月西日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：苴兰坠石年6 月咱 硕士论文 井下参数测试仪的研带0 1 引言 1 1 测井技术简介 测井又称“井中地球物理勘探”，是物理探矿的一种方法，可分为电测井、放射性 测井、磁测井、声波测井、热测井和重力测井等。根据地质和地球物理条件，合理地 选用综合测井方法，可以详细研究钻孔地质剖面、探测有用矿产、详细提供计算储量 所必需的数据，如油层的有效厚度、孔隙度、含油气饱和度和渗透率等，以及研究钻 孔技术情况等。测井方法在石油、煤、金属与非金属矿产及水文地质、工程地质的钻 孔中，都得到广泛的应用。特别在油气田、煤田及水文地质勘探工作中，已成为不可 缺少的勘探方法之一。 在测井技术中，电法测井是一种应用广泛的测井技术。电法测井就是通过测井仪 器的响应值来推测地下介质的物理参数。目前常用的电法测井有自然电位测井和激发 极化电位测井等多种方式，激发极化电位测井方法于2 0 世纪6 0 年代由前苏联引进我 国，又称为人工电位铡井，已经在多个油田取得了实际应用。1 。激发极化电位测井的 原理是在人工建立的电场作用下地层被激化形成极化电场，极化电位按照指数规律随 时间t 逐渐升高。在撤去激发电场后，极化电位按照指数规律随时间t 逐渐降低，直到 恢复地层原始状态一自然电位值，采用测量仪器测量并记录极化电场在井内的极化电 位“。 激发极化电位测并是用人工的方法建立电场，具体做法是将电极探入油井的某一 地层处，给电极通以电流( 直流电或者交流电) ，用传感器检测出该深度地层处的电 位值，这样就可以得到地层某一深度处的地质参数值，将电极探入油井的不同深度处 可以得到不同深度地层中的地质参数，将电极放入油井的底部，用一个电动机提升油 井中的电极，同时电极通以直流或交流电流，通过传感器测量激化电场的极化电位， 当提升速度合适、电流大小合适的情况下就可以在电极提升过程中得到油井不同深度 处的激化电场的极化电位，从而快速完成油井并下地质参数的测量啪目前电法测井 在石油开采、区域地质构造勘探、矿藏勘探等领域中得到了广泛应用，井下地层地质 参数的获取及数据处理一直是电法测井仪器研究中的一个重要内容，但是诸多的测井 仪器存在着体积庞大、使用不便、测井不准确，测井解释复杂等问题，因此，研制新 型石油井下参数测试仪器对于石油勘探具有重要意义。 硕士论文井下参数测试仪的研制 1 2 本课题研究的内容和意义 本课题源于胜利油田的一个实际工程项目，课题主要研究内容是在现有理论内容 的指导下，研制出具有实际使用价值的井下参数测试仪用于油井井下参数的实际测 试。在研制过程中应该着重解决的问题有以下几个方面：( 1 ) 、强电磁干扰环境中的 微弱信号检测问题。在油井探测现场有较多、较强的电磁干扰存在，同时电极检测到 的信号较微弱，如何有效地去除这些共模干扰、将有用信号检测出来是一个值得仔细 研究的问题。( 2 ) 在仪器设计中需要一个大电流的双向恒流源电路给探测电极提供激 励信号，要求其恒流特性好，激励电流在换向过程中速度快且不产生振荡，这同样是 一个需要深入研究的问题。( 3 ) 所研制的仪器应该具有实用性好、操作简便、工作可 靠、智能化程度高的特点。为解决以上问题，考虑到近年来，由于计算机技术的迅速 发展，采用单片微型计算机作为测量系统的主体和核心，代替传统测控系统的常规电 子线路，已是测控系统设计发生根本性变化。这是因为引入微型计算机的测控系统不 仅可以解决传统测量仪器系统中不能解决的问题，而且还可以简化电路、增加或者增 强系统功能提高测量精度和可靠性，同时可以显著增强测量系统的自动化、智能化程 度。囟此，初步考虑按照微机化测量系统的一般设计方案，以单片机为核心控制单元， 结合模拟信号输入通道、模拟信号输出通道，人机接口电路等来进行仪器的设计。在 模拟信号输入通道设计中进行信号调理，具体包括信号隔离、小信号放大、滤波。常 见的信号隔离方法有光电隔离、变压器隔离等。课题中拟采用专用隔离放大器来实现 信号隔离，除去共模干扰信号。模拟信号输出通道中拟采用光电耦合器进行信号隔离， 以保证输出的模拟信号的稳定性。电极激励电路中拟设计一个高精度恒流控制电路以 达到恒流控制的目的，激励电流方向的切换通过电子开关来实现，拟采用m o s 开关 管设计电子开关实现电流换向。由于采用微机化测量系统的设计方案，使得系统的智 能化、人机交互方便性等方面将得到很好的保证。 2 硕士论文 井下参数测试仪的研制 2 井下参数测试仪的设计概述 2 1 井下参数测试仪的基本工作原理 在石油勘探中，电法测井中的充电法是一种重要的测井方法，它是用直流或交流 测井仪在井下发射电流，并在若干接收点记录地层中电阻率等的综合反应来探测油井 的一种方法。这种方法的工作原理如下：通过电极的是交变且断续的恒定电流，即在 电流持续期间，电流大小保持不变，但是方向改变，按照“正向一断开一反向一断开” 的顺序循环进行。在电流持续期间，会在地层中产生电场，产生的电场受到地层中地 质状况的影响，从而在不同地质参数处是不同的。理论分析指出，通过测量某一深度 处的次电位和二次电位及它们的比值( 即激化率) 即：y = v 。v 。可以反映不同的 地质状况。本仪器即是依据这种工作原理设计的，仪器工作时供给电极的电流的波形 如图2 1 1 所示，是一种双向、断续的电流，但在电流持续期间电流值恒定。对电极 输出的信号经信号调理后，根据一定的时序关系进行测量，利用a d 转换器测量出一 次电位和二次电位，然后用二次电位除以一次电位求得激化率。最后将一次电位或二 次电位及激化率等经d a 转换后输出到仪器外部，作为绘图仪的输入是信号，从而将 不同深度地层中的地质状况反映出来，供相关人员分析研究。 藏过电撮的 流的渡形 2 2 井下参数测试仪的设计要求 电压测量误差不超过5 m v 。 电极电流周期为1 2 4 m s 。其中正向、反向时间各为4 8 m s ，间歇期均为1 4 m s 。 要求周期稳定，误差不大于0 0 i r e s 。 同时测量来自长、短两个电极的信号。对每个电极而言，一次电位、二次 电位的测量时刻固定，对两个电极而言应该在同一时刻测量。 能够设定显示出一次电位或二次电位及激化率中的某一种。 硕士论文 井下参数测试仪的研制 要求能够输出长、短电极的激化率及一次电位或二次电位，供外部所接的 绘图仪使用。 具有r - 8 2 3 2 通信接口，可以将采集到的数据上传到p c 机中供进一步分析。 2 3 设计方法概述 本设计中硬件电路分为中心控制、a d 及d a 转换、信号调理、探测电极驱动、 电源等五个部分。其中： 中心控制电路以单片机a t 8 9 c 5 5 和可编程逻辑器件e p m 7 1 2 $ 为核心，主 要完成探测电极电流的开关控制、a d 及d a 转换控制、数据显示及按键控制、数 据存储及与p c 机串行通信等。 a d 及d a 转换电路主要完成将采集并调理好的信号进行a d 转换，送到 单片机进行处理，并将处理的结果经d a 转换后输出，作为外部所接的绘图仪的输 入信号。 信号调理电路由两个相同的通道组成。主要完成传感器信号的隔离、放大， 极性转换等任务。 探测电极驱动电路主要用来输出满足一定要求的探测电极控制信号。 电源电路用与给系统的各部分提供电源。 4 硕士论文 井下参数测试仪的研制 3 井下参数测试仪的系统构成 3 1 系统总体框图 本系统的构成框图如图3 1 1 所示。共有两个相同的信号调理通道，都用于将传 感器送过来的信号进行放大、隔离、极性转换、滤波，再将信号送给中心控制和转 换电路进行a d 转换。中心控制及转换电路是整个系统的核心部分，负责系统时序 及逻辑控制、运算、a i ) 转换、d a 转换，键盘和显示部分是系统的人机接口部分， 系统输出四路模拟信号供外部所接的绘图仪使用。 以下内容分别介绍各部分的设计。 广一一一一一- 一一一_ 一一一- 一一一- - 1 3 2 信号调理子系统 信号调理子系统由两个完全相同的信号调理通道组成。由电极送来的信号比较 小( 在1 0 0 m v 一5 0 0 m v 之间) ，频率比较低( 8 h z 左右) ，所含的共模信号较大，同 时由于工作环境中存在电动机等大功率设备有很强的电磁干扰，为了防止上述因素 影响系统正常工作，必须对传感器送来的信号进行共模抑制和隔离传输。同时，电 极送来的是双极性信号，为了保证数据处理的一致性需要将它转换成单极性信号。 另外，在a d 转换前应该将信号进行低通滤波处理，去除高频干扰，以进一步提高 信号的质量。 将信号隔离传输从耦合方式来看可分为电磁耦合隔离、光电耦合隔离、电容耦 合隔离等。电磁耦合是种常用的祸合隔离方法，但是在本设计中不能简单地使用 变压器进行信号隔离，这是因为传感器送来的信号频率较低，无法通过变压器直接 进行有效的隔离传输。为此选用a d 公司的隔离放大器a d 2 0 2 进行信号隔离传输。 由于传感器送来的信号中含有较强的共模分量，所以前置放大级应该选用共模 硕士论文井下参数测试仪的研制 抑制能力强的高精度、低噪声的运算放大器。为此我们选用i n t e r s i l 公司生产的斩波 稳零式高精度运算放大器i c l 7 6 5 0 作为前置放大电路。 由于传感器输出的信号的极性与电极激励电流的方向有关，而电极电流的方向 是受脉冲信号控制的，因此，可以用模拟开关实现信号极性的转换，只要此模拟开 关的控制信号与电极电流方向控制信号同步变化即可。 基于以上考虑，可以画出信号处理通路的框图，如图3 2 1 所示。 强年霹m a r r 2 0 2 的信电路“ 隔岛后信 号放丈 图3 2 1 信号处理通路框图 3 3 电极电流驱动控制子系统 模拟开关t 1 怔通蕾t 7 去a d a d 7 5 1 2 - j 教嚣j 一转挠 l 二 这个子系统的任务是按照要求对电极电流进行通断和方向控制，同时要保证电 极中有电流流过时，该电流值是可设定的恒定值( 一旦设定好就保持不变) 。本设 计中采用大功率v m o s 开关管( i r f 8 3 0 ) 用作电极电流通断控制，i r f 8 3 0 的开关 控制信号来自时序控制电路。恒流电路可以利用电流串联负反馈来实现。由于这部 分电路工作电压较高、功率较大，为防止它影响其它电路的正常工作，采用光电耦 合器4 n 3 3 将它隔离开。系统框图如图3 3 1 所示。 图3 3 1 电极电流驱动控制电路框图 6 硕士论文 井下参数测试仪的研制 3 4 中心控制及转换子系统 中心控制和转换电路是整个系统的核心，其主要功能为； 对其它子系统进行时序控制。 对采集的数据进行处理。 对信号调理通路输出的模拟信号进行模数转换。 对处理后的数据进行数，模转换。 提供人机接口。 与p c 机进行异步串行通信，向p c 机上传数据。 考虑到系统中对电极电流的开关和方向控制及一次电位和二次电位采集的时间 要求较严格，用单片机通过软件来实现上述控制，速度上跟不上，所以采用硬件电 路来实现，我们选用a l t e r a 公司生产的可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 进行该部分电路 的设计。按照设计要求，一次电位和二次电位的a d 转换精度的要求选用1 2 位的 a d 转换器，同时，系统中有两路信号要求同时进行a d 转换，所以选取m a x l l 5 作为钔) 转换器，它是一种2 4 通道同时采样的1 2 位数字量输出的模数转换器， 其工作速度高，足以满足设计中a d 转换的要求。由于a t 8 9 c 5 5 是一种8 位单片 机，无法一次性读取1 2 位d 转换结果，这可以通过e p m 7 1 2 8 设计出外围接口来 解决。按照设计要求，系统将长电极激化率、短电极激化率、长电极一次电位值( 或 二次电位值) 、短电极一次电位值( 或二次电位值) 等四路数字量转变成模拟量输 出，供仪器外部所接的绘图仪使用，因此选用m a x 5 2 5 作为数模转换芯片，其内 部集成了四个1 2 位电压输出型数，模转换器，其数字量采用串行输入方式，所需的 外部控制信号少使用方便。为了提高a d 转换电路的稳定性，我们将这部分电路与 其它电路进行电气隔离，所需传输的信号通过光电耦合实现。人机接口电路主要用 来显示所需的数据、对系统进行相关设置等。根据设计要求，数据显示只需要4 位 数码管即可完成，对系统的工作状态等的设置需要8 个按键，我们选用i n t e l 的8 2 7 9 来实现这一部分电路的设计，i n t e l 8 2 7 9 是单片机系统中一种常用的键盘显示接口电 路。设计要求中需要保存最近2 分钟左右采集到的数据，为此选用静态r a m 6 2 6 4 ， 它一方面用来存储采集到数据，同时也用于为软件的运行提供所需的存储器资源。 与p c 机的异步串行通信电路选用m a x 2 3 2 来设计 中心控制和转换电路的框图如图3 4 1 所示 7 硕士论文井下参数测试仪的研制 3 5 系统软件开发工具 图3 4 1 中心控制及转换电路框图 用c 语言进行单片机系统软件的设计已是大势所趋。用c 语言进行单片机系统 软件的开发，设计效率高、程序模块化程度好、易于维护。因此我们选用目前最先 进、功能最强大的k e i lc 5 1 集成开发环境利用c 5 l 来进行软件系统的设计。近年来 实时操作系统( r t o s ) 被引入嵌入式系统的的软件开发中，实时操作系统的引入 减小了嵌入式系统软件开发中的很多不确定性因素，使系统的稳定性得到极大提 高，极大地保证了嵌入式系统的实时性和稳定性，同时提到软件开发效率，大大缩 短了开发周期。基于以上考虑，我们使用德国k e n 公司针对5 l 系列单片机推出的 实时操作系统r t x 5 1 ( f u l l 版) 进行本系统软件的设计。 8 硕士论文 井下参数测试仪的研制 4 井下参数测试仪硬件电路设计 4 1 信号调理通道硬件电路设计 本系统中有两个完全相同的信号调理电路，其功能都是对传感器送来的信号进 行前置放大、隔离、极性转换、滤波，得到符合要求的模拟信号以进行数字化处理。 下面按照信号隔离前和隔离后两个部分分别叙述。 4 1 1 隔离前的信号处理电路 隔离前的信号处理电路包括前置放大级和隔离级。前置放大级的作用是对传感 器送来的信号进行电压放大，同时要抑制信号中的共模分量；隔离电路的主要作用 是将信号进行电气隔离并将之传输到后级电路进行进一步处理。 4 i i i 前置放大器 前置放大电路由运算放大器i c l 7 5 6 0 组成。i c l 7 6 5 0 是i n t e r s i l 公司利用动态 校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失 调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定的特点，通常用于测 量微弱信号的前置放大器中，能够放大微弱、缓慢变化的信号。在本设计中，由于 传感器送来的信号比较小，变化比较慢，工作的电磁环境比较差，存在较高的共模 电压，因此选用i c l 7 6 5 0 组成第一级信号放大电路，以期获得较大的信噪比和好的 抗干扰能力。 i c l 7 6 5 0 引脚如图4 1 1 1 1 所示。其中： c 。：外接电容c 。 c 。：外接电容 - i n p u t ：反相输入端 + i n p u t ：同相输入端 v - ：负电源端 c 。：c 一和c 啪的公共端 c l a m p ：箝位端 v + ：正电源端 c b c t i 晤n n c 幅啉胁l - i n p 町 一n p u r n c 懵u 聃d 弘 图4 1 1 i 1i c l 7 6 5 0 的引脚 i n t c l k o u t ：内部时钟输出端( 内部振荡器产生2 0 0 h z 的信号，可由该端输出) e x t c l ki n ：外部时钟输入端( 如果由外部提供振荡信号，应该由该脚输入) i n t e x t ：时钟控制端( 接v 一时使用外部提供的振荡信号，接v + 时使用内部振 荡器产生的振荡信号。) 9 埘w llll姗 硕士论文 井下参数测试仪的研制 i c l 7 6 5 0 的内部结构如图4 1 1 1 2 所示。其中姒i n 是主放大器( c m o s 运算放大 器) ，n u l l 是调零放大器( c m o s 高增益运算放大器) 。电路通过电子开关的转换来 进行两个阶段工作，第一是在时钟的上半周期，电子开关a 和b 导通、j 和c 断开， 电路处于误差捡测和寄存阶段。第二是在时钟信号的下半周期，电子开关j 和c 导 通，a 和b 断开，电路处于动态校零和放大阶段。由i c l 7 6 5 0 的n u l l 运算放大器的 增益一般设计在1 0 0 d b 左右，因此即使主运算放大器m a i n 的失调电压达到1 0 0 m y ， 整个电路的失调电压也仅为1i lv 。由于以上两个过程不断交替进行，电容c 。和c 。 m 朋 c u 6 5 0 + i n - i n i n l 旧( t d f r c l k 玳 c “0 u t 0 u t p u t c l m p 将图4 1 1 1 2i c l 7 6 5 0 的内部结构 各自所寄存的上一阶段结果送入运算放大器m a i n 和n u l l 的调零端，这使得图 4 1 1 1 。2 所示的电路几乎不存在失调和漂移，因此i c l 7 6 5 0 是一种高增益、高共模 抑制比和具有双端输入功能的运算放大器。 本设计中实际所用的电路如图4 1 1 1 j 3 所示。来自电极的信号加到i c l 7 6 5 0 的 两个输入端，输入的信号中含有感应的自然地空电位，经i c l 7 6 5 0 放大后从第1 0 脚输出。为了防止输入信号幅度过大而导致i c l 7 6 5 0 损坏，图4 1 1 1 3 中在两路信 号的输入端分别加了起保护作用的四个二极管，由于正常工作时输入信号幅度较小 所以不会影响电路的正常工作。在设计中设定该放大器的放大倍数为5 ，为了防止 可能出现的高频振荡，在r m 两端并接了一个1 5 0 p f 的小电容，由于其容量较小因 1 0 硕士论文 井下参数测试仪的研制 此对信号放大倍数的影响很小。此处i c l 7 6 5 0 的供电电压为7 5 v ，来自于后级隔 离电路a d 2 0 2 的输出电压，详见后面所述。电路设计中使用内部振荡信号，所以 第1 4 脚接+ 7 5 v ，在这种情况下c e x - r ( 即c 2 v ) 和c e x t b ( 即c 2 6 ) 使用厂方推荐 的o 1pf 的电容。c 1 6 和c 1 7 为电源滤波电容，c 1 8 为输出滤波电容。 图4 1 1 1 3前置放大电路 4 , 1 1 2 隔离放大器 本级电路主要用于对信号进行1 ：l 的隔离，该电路由隔离放大器a d 2 0 2 构成， a d 2 0 2 是一种通用双端口变压器耦合式隔离放大器，广泛应用于需要进行信号隔离 的场合。其特点为【5 】： 对输入端和输出端的电源和信号都进行隔离，从而实现完全隔离。 输出电压范围达到5 v 。 电压增益范围为1 1 3 0 倍。 非线性失真小，其最大非线性失真为0 0 2 5 。 有优良的共模抑制性能，允许的最高共模电压幅值达2 0 0 0 v ( a d 2 0 2 l ( n ) ，共 模抑制比高达1 3 0 d b 。 功耗低，仅为7 5 r o w 。 a d 2 0 2 有s i p 和d i p 两种封装形式。 采用d i p 封装形式的如图4 i 1 2 1 所示其 ” 中： 1 脚：同相输入端 2 脚：隔离前的地 3 脚：反相输入端图 1 8 脚：输出端( h i ) 4 1 i 2 1a d 2 0 2 的引脚( d i p 封装) f 硕士论文 井下参数测试仪的研制 1 9 脚：输出端( l 0 ) 2 0 脚：电源( + 1 5 v ) 2 2 脚：电源地 3 6 脚：隔离后电源输出( 正) 3 7 脚：隔离后电源输出( 负) 3 8 脚：反馈输入端 a d 2 0 2 的内部结构如图4 1 1 2 2 所示。由图可知a d 2 0 2 是一个典型的变压 器耦合二端隔离放大器，它采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦 合到输出级，输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可实现缓冲、滤波等功 能。输出级是对信号进行解调，滤波与放大。内置的d c d c 变换器可以提供电源 给输入侧的运放、调制器或其他电路，在设计中我们用这组7 5 v 的电源为前置放 大电路i c l 7 6 5 0 供电。 图4 1 1 2 2 a d 2 0 2 的内部结构 本设计中使用a d 2 0 2 作为放大倍数为1 的隔离放大器。如图4 1 1 2 3 所示。 o n d _ a 图4 1 1 2 3 放大倍数为1 的隔离放大电路 4 1 2 隔离后的信号处理电路 隔离后的信号处理电路包括信号放大电路、极性转换电路和低通滤波器，分别 硕士论文井f 参数测试仪的研制 用于实现信号放大、将双极性信号转换成单极性信号和滤波。 4 1 2 1 信号放大电路 本设计中使用o p 0 7 实现一个放大倍数为2 的信号放大电路。结合前置放大电 路，系统对信号进行l o 倍的放大，以满足后面各级电路的要求。o p 0 7 是一种高增 益、高共模抑制比、低噪声、低温漂的运算放大器。 本设计中所用的电路如图4 1 2 1 1 所示。信号从反相端输入，由图可知 电压放大倍数为：4 = 吉监 其中r 笱的阻值为1 0 k q ，r 2 6 为2 0 k q 的电位器，通过调整可以使电路的电 压放大倍数为2 。r 2 7 为调零电位器，c 2 0 、c 2 l 为电源滤波电容。 图4 1 2 1 1电压放大倍数为2 的信号放大电路 4 1 2 2 极性转换电路 从电极送来的信号是双极性信号，为了使后级电路对信号的处理有更好的一致 性，此处将双极性信号转换成单极性信号。这个过程类似于取绝对值的过程。电极 的驱动电流的波形和电极输出信号的对应关系如图4 1 2 2 1 所示，极性转换电路的 t i , p 电极的驱动电流的波形 _ 一 电平 图4 1 2 2 i电极驱动电流与电极输出信号的对应关系 任务就是将处于零电平之下的信号翻转到零电平之上。这个电路用模拟开关电路 硕士论文井下参数测试仪的研制 a d 7 5 1 2 和运算放大器o p 0 7 来实现。a d 7 5 1 2 是美国模拟器件公司推出的一种模拟 开关集成电路，其主要特点为： 输入的模拟信号高达2 5 v ，高于电源电压( 4 - 1 5 v ) 开关接通电阻低，仅为7 5q ；断开状态下漏电流小，仅为5 0 0 p a 。 功耗小( 3 m w ) 。 可以直接输入t t l c m o s 信号作为开关控制信号。 1 0 脚：b 路模拟信号输出 ”。”时 1 1 脚：b 路模拟信号输入2 图4 1 2 2 2 a d 7 5 1 2 的引脚( d i p l 4 封装) 1 2 脚：a 路模拟信号输入2 1 3 脚：a 路模拟信号输出 1 4 脚：a 路模拟信号输入l 说明：输入的开关控制信号为高电平时，o u t l 与s 1 接通、o u t 2 与s 3 接通。 a d 7 5 1 2 的内部结构如图4 1 2 2 3 所示。 图4 1 2 2 3a d 7 5 1 2 的内部电路结构 其工作原理可以简述如下：开关输出单元由m o s 管4 和5 组成。对于模拟开 1 4 硕士论文并下参数测试仪的研制 关接通的情况：如果输入的开关控制信号经内部电平移动和驱动后，使得i n + 为高 电位( v d d ) 而i n 为低电位( v s s ) ，这会使得m o s 管1 和2 截止，m o s 管3 导通， 因此m o s 管4 和5 的衬底接到一起且处于浮置状态，这样输入信号就可以从输入 端( s ) 送到输出端( d ) ：对于模拟开关断开的情况：如果输入的开关控制信号经 内部电平移动和驱动后，使得i n + 为低电位( v s s ) 而n 为高电位( v d d ) ，这会使 得m o s 管i 和2 导通，m o s 管3 截止，m o s 管5 的衬底通过r l ( i k q ) 和导通 的m o s 管1 接至+ 1 5 v ，m o s 管4 的衬底通过r 2 ( 1 k q ) 和导通的m o s 管1 接 至一1 5 v ，因此m o s 管4 和5 都处于截止状态，信号无法从输入端s 传送到输出 端d 。 本设计中实际使用的电路如图4 1 2 2 4 所示。 出信号 图4 i 2 2 4双极性信号到单极性信号转换电路 该电路由模拟开关和减法器构成。输入信号来自前级信号放大电路输出的双极 性信号，该信号送到a d 7 5 1 2 的两个模拟信号输入端。如图4 1 2 2 4 所示，在半周 期t l 期间输入的信号为正极性信号，同时送到a d 7 5 1 2 的开关控制信号q h l q h 2 为“0 1 ”，从而模拟开关1 打到s 2 位置，模拟开关2 打到s 3 位置，此时a d 7 5 1 2 输出的信号从o p 0 7 的同相输入端送入，而送到o p 0 7 反相输入端的信号为0 ，o p 0 7 组成的电路等价于一个放大倍数为2 的同相比例运算放大电路，注意到实际送入 o p 0 7 同相输入端的信号是经过两个5 1 k o 的电阻r 、r 3 6 分压的，所以总的结果 是o p 0 7 将输入的信号以0 d b 的增益输出；在另外半个周期t 2 期间，此时送到 硕士论文 井下参数测试仪的研制 a d 7 5 1 2 输入端的信号为负极性信号，同时送到a d 7 5 1 2 的开关控制信号q n l q h 2 为“1 0 ”，从而模拟开关1 打到s 1 位置，模拟开关2 打到s 4 位置，a d 7 5 1 2 输出的 信号由反相端送入o p 0 7 中，而送到o p 0 7 同相端的信号为o ，此时o p 0 7 组成的电 路相当于一个电压放大倍数为1 的反相比例运算放大电路，因此可以在o p 0 7 的输 出端得到一个与输入到a d 7 5 1 2 的信号幅度相等但极性相反的正极性信号。因此该 电路可以实现信号极性转换的功能。r 3 lr 3 2 及1 5 v 所构成的电路用来实现输出信 号的零电平调整。 4 12 3 低通滤波器 信号调理电路的最后一级是低通滤波器，这里采用二阶增益为0 d b 的低通滤波 器，由运算放大器o p 0 7 构成【5 1 。值得注意的是滤波器的截止频率必须仔细设置， 如果截止频率设计得过低，则会使输出信号过于平滑，输入和输出的波形相差很大， 这样不能真实地反映电极输出的信号的特征，以致a d 转换所得到的数据不能真实 地反映不同深度地层的地质状况；同时截止频率也不能设计得过高，否则无法有效 的滤除干扰信号。经实验比较，最终确定截止频率为3 6 h z 。 低通滤波器电路如图4 1 2 3 1 所示。 图4 1 2 3 1低通滤波器电路 根据滤波器的有关理论计算出的截止频率为： ， l jl 。丽 计算得：f l = 3 6 2 h z 。使用m u l t i s i m 7 0 仿真得到图4 1 2 3 2 ，从图中可以看出其低 通截止频率与计算结果基本致。 1 6 硕士论文 井下参数测试仪的研制 图4 1 2 3 2 低通滤波器幅频特性曲线( 仿真) 4 2 电极电流驱动控制电路 电极电流驱动控制电路按照功能可以分成两部分：电极电流开关控制电路和恒 流控制电路。其中电极电流开关控制电路的作用是按照一定的时序要求控制电极中 电流的方向和通断，这部分电路如图4 2 1 1 所示。另外一部分是恒流控制电路，作 用是控制流过电极的电流稳定在设定的数值上，驱动电流表将该数值显示出来。 4 2 1 电极电流开关及换向控制电路 具体电路如图4 2 1 1 所示，其中的换向及开关控制信号h x l 、h x 2 来自逻辑及 图4 2 1 1 电极电流换向及开关控制电路 硕士论文 井下参数测试仪的研制 时序控制器e p m 7 1 2 8 ( c p l d ) ，控制时序如图4 2 1 2 所示。在t l 期间，h x i 为 “1 0 ”，经光电祸合器隔离耦合后v 2 和v 7 的栅源之间因加上电压而导通，v 3 和v 6 的栅源之间因未加上电压而截止，此时电电流由v 2 的源极流出，流入v 7 的漏极。 中间的s w l 是一个跳接端相当于一个双刀双掷开关，如果将3 和5 、4 和6 短接， 则电流从疋+ 流出，从m 流入( i p + 、i p 分别于外部的电极驱动电流的两个输入端 相接) 。这里的电阻r 1 8 作测试电极电流用，当s w l 的7 和9 、8 和1 0 分别短接时 r 1 8 就被接入电路。而当f i x i h x 2 为“0 1 ”时，经光电耦合器隔离耦合后v 3 和v 6 的栅源之间因加上电压而导通，v 2 和v 7 的栅源之间因未加上电压而截止，此时电 电流由v 3 的源极流出，流入v 6 的漏极。不难看出如果将电极接入电路的话，这时 流过电极的电流方向与h x l 托磁为“1 0 ”时的方向相反，从而实现了电极电流方向 的控制。电路中的稳压二极管d l 、d 2 、d 3 、d 4 起到保护作用，防止四个m o s 开关 管因栅源之间的电压过高损坏。另外，v l 、v 3 、v 2 和v 4 的栅源之间的电压分别由 三组独立的+ 1 5 v 电源提供，而且这三组电源是浮地工作的，本电路中这样才能保 证m o s 开关管可靠的工作，不会因m o s 开关管导通后源极电位升高而截止( 因为 此时栅极电位也会随之升高) 。 h x l h x 2 谶垃电极的 i：厂l 正向电流 千由j j l _ 反向电流 = 鄹 ： 厂 广 ：j p lr 1i 厂 v 栅极电压的l 1 - - - 一1 2l - 3 一“；+ 一 袖形硼 ! i ! ：_ 1 4 m s 卜叫1 4 m s 卜 ! ； i 卜1 8 m s _ 卜 8 m s _： ：+ 一个周期1 2 4 m g _ 一 图4 2 i 2电极电流波形与开关控制信号的时序关系 4 2 2 恒流控制电路 该电路本质上是一个电流串联负反馈电路，因此有稳定输出电流的作用。具体 电路如图4 2 2 1 所示。 硕士论文 井下参数测试仪的研制 图4 2 2 1 恒流控制电路 其工作原理简述如下：为方便起见暂且不讨论c 1 9 、4 n 2 5 、r 2 9 及u l f 所组成 的电路的作用。电路中的d 5 是3 6 v 的稳压二极管，用来提供稳定的参考电压，3 6 v 的电压经r 3 3 、r 3 4 及接到面板上的电流调节电位器分压后得到控制电流用的基准电 压，该电压接至运算放大器o p 0 7 的同相端，运算放大器的反相输入端的电压来自 取样电阻r 3 0 ，由于运算放大器工作在线性状态，所以运算放大器的同相端电压和 反相端的电压相等，所以r 3 0 ( 1f 2 ) 两端的电压值就是流过电阻r 3 l 的电流值，也 就是所要控制到电流值。如果流过r 3 0 的电流值偏大，则运算放大器反相端的电压 升高，因此会使运算放大器输出的电压降低，从而使v 9 栅源之间的电压值减小，导 致v 。的i d s 减小；另一方面，如果流过r 。的电流值偏小，则运算放大器反相端电 压降低，则会使运算放大器输出的电压升高，从而使v 。栅源之间的电压值升高，导 致u 的i d s 增大。因此利用负反馈的调节作用可以起到稳定流过r 。上的电流的作 用。而流过v 。的电流和电极的驱动电流是同一个电流，因此电极的驱动电流也是稳 定不变的。通过调节接至面板上的电位器可以调节运算放大器同相端的电压，从而 调节电极驱动电流的数值。但是，在电极电流由断开到接通的瞬间，会因运算放大 器的来不及进行电流调节而出现瞬间电流失控的问题，实验表明在该瞬间电源电压 几乎全部加到电极两端，以致电流很大，过了大约1 1 0 i ls 时间后电流才得到控制。 这种情况会对电极造成很大的冲击，从而会影响电极的使用寿命，也会使电极输出 的信号产生偏差，因此不允许出现。在实验中曾使用高速运算放大器希望在电极电 流接通的瞬间，使流过电极的电流得到及时的控制，但结果表明在该瞬间电流出现 1 9 硕士论文 井下参数测试仪的研制 震荡，达不到预期的效果。另外一种处理的办法是在电极电流从断开到接通的瞬间， 采取措施减慢v 。栅源之间的电压的上升速变，这样就可以确保不会出现电流在该瞬 间失控的问题了；另一方