三维感应测井仪的电路设计与性能研究.doc

三维感应测井仪的电路设计与性能研究 学位论文创新性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名日期虚!生21学位论文使用授权的说明本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。 学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名蚴导师签名注如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出(含解密年限等)。 中文摘要论文题目三维感应测井仪的电路设计与性能研究专业仪硕士生马导师肖要三维感应测井是一种新型的油气检测系统。 三维感应测井仪在理论上一方面能够测出水平方向上电导率，另一方面又能够测出垂直方向上电导率以及其差别，所以可以对岩石物理性质进行更加准确的评介，这是人们了解地层特性，对油气储层进行评价的一种行之有效的方法。 本论文通过研究三维感应测井仪的原理和特性，创新了一种全新的三维感应测井仪的数据采集系统的设计方案。 本设计以数字信号处理(DsP)以及可编程门阵列为中心架构，从而实现该系统的整体控制和数据处理功能。 关于三维感应测井仪，其数据采集系统包括以下几个部分电源、数据处理模块、总线接口模块、数据转换模块、采集控制模块、滤波模块、模数转换模块以及前置放大模块等。 为了对该方案的可行性进行验证，论文中首先对重要模块前置放大模块、差分模块和滤波模块等进行了设计前计算和仿真分析。 在软件设计方面，文中首先介绍了数字相敏检波(DPSD)和有限冲击响应滤波(FIR)等数字信号处理算法相关原理，随后根据实际情况实现和设计了针对该系统的数字相敏检波算法(DPSD)和有限冲击响应滤波(FIR)。 通过实验，能够得出以下结果，该系统一方面能够确保数据可靠性、同步高速采集和信号采集效率，另一方面还可以在环境噪声之中发现4V的混频信号。 关键词多道数据采集系统三维感应测井仪数字相敏检波有限冲击响应滤波论文类型应用基础英文摘要SubjectSpecialityNameInstructorCircuit designand performancestudyof three-dimensional inductionlogginginstrumentInstrument andMeterEngineeringMaXigu。 (signature涩址狃喾L烛叱hn蹲a删g嘲哟蹦孙寸御队rAbstractThreedimension induct-ionloggingisa newoil andgasdetectionsystemThree-dimension inductionlogging boththeoretically measuredtheconductivity in thehorizontal direction，and measurethe conductivityinthevertical directionand thedifference，it ispossible toreview moreaurate petrophysicalproperties，It iseffective methodsforpeople torecognize也e stratumcharacteristics andhave anoil orgas reservoirsevaluationThis paperstudies thecharacteristics andprinciples ofThree-dimension inductionlogging tool，forward anew kinddesign schemeof threedimension inductionlogging tooldataacquisition systemThe designwith digitalsignal processing(DSP)and fieldprogrammablegates array(FPGA)as thecore framework,realized overallcontroland dataprocessingfunction of the wholesystemThe Three-dimension inductionloggingtooldataacquisition systemis mainlyposed ofthe preamplifiermodule，modulus conversionmodule，filter module，acquisition controland dataconversion moduleCAN businterfacemodule，data processingmodule andpower supplymoduleIn orderto verifythe feasibilityofthedesign，this paperfirstly hasa calculationandsimulation analysisbefore designon thekey modulessuch asthe filtermodule，preamplifiermodule anddifferential moduleIn softwaredesign，this paperfirstly introducesthe digitalsignalprocessing algorithmprinciple ofthe digital phasesensitive detection(DPSD)and finiteimpulse response(FIR)filter,and thenseparately designedand implementedthe suitabledigitalphasesensitive detection(DPSD)and finiteimpulseresponse(FIR)filter algorithmwhichcan bein practicaluseExperimental resultsshow thesystem cannot onlyensure raisingsample efficiency，thehighspeed synchronoussample ofwide bandsignal anddata reliabilitybut alsowell extractthemultifrequency weaksignal about4州from thestrong environmentalnoiseKeywordsmulti-channel dataacquisitionsystem、Three-dimension inductionloggingtool、di【gitalphase-sensitive detection、fmite impulseresponse mterThesisFundamentStudyIll目录目录第一章绪论?111课题研究背景和目的?112感应测井的发展动态及历史?一2121国外的发展动态?3122国内现状?313论文主要研究内容及结构?一4第二章感应测井仪采集系统方案设计?621三维感应测井原理?一622三维感应测井仪的整体架构?一623整体需求分析?7231技术指标要求?7232数据采集系统总体设计原则?824数据采集系统总体设计方案?一825本章小结?11第三章三维感应测井仪数据采集系统硬件电路设计?1231前置放大模块?一12311低噪声前置放大电路设计?一13312低噪声前置放大噪声计算?1332模数转换模块?1733低通滤波模块?1834采集控制和数据缓存模块?1835CAN总线接口模块?2036数据处理模块?2037电源模块?2338本章小结?24第四章三维感应测井仪数据采集系统软件设计?2541FPGA软件设计?一25411ADC的采集控制?25412数据缓存的实现?2742DSP软件设计?28421FIR数字滤波算法?28422数字相敏检波算法(DPSD)?3043本章小结?32第五章仿真和实验结果分析?33目录51仿真分析?33511前置放大电路pspice仿真分析?33512滤波电路pspice仿真分析?36513差分输出电路pspiee仿真分析?3852实验平台的搭建和结果分析?39521多频微弱信号的产生?39522实验结果分析?4353本章小结?47第六章总结?一48致谢?49参考文献?50攻读硕士学位期间发表的论文?53V第一章绪论I1课题研究背景和目的第一章绪论现阶段，世界经济飞速发展，但是中国和很多发展中国家经济的发展仍然对自然资源具有很强的依赖性，石油是一种重要的自然资源和战略能源，随着当代自然资源越来越缺乏，起着日益重要的作用，对一个国家人们的生活水平和经济增长速度有着直接影响。 石油同时也是当今重要的化工材料和能源资源，是国民经济极为重要的一种生产资料11。 所以探索更为有效的开发勘探石油资源的方法和工具有着非常深远的意义。 在天然气和石油的开采或者勘探中，地层电导率为测井中识别与评价储层油水性质非常有效且最基本手段和的方法【21。 感应测井是一种对地层电阻率进行测量的方法，通过电磁感应的相关理论来测量地层电阻率，通过相关参数指标可以获得储层你讲的状态3卅。 目前常用的感应测井在对对稠油层的储量进行勘探时，一般借助于单一频率激励技术，但其感应分辨率不相符、划分薄层能力相对较差以及纵向分辨率较低；采用硬件对焦，在纵向的分辨率较高而径向的分辨率较低，在勘测中地层的电阻率并不是固定值，而是随着深度的变化而变化，因此探测深度不能够保持恒定；探测曲线的数量过少以至不能完整地将地层径向所具有的侵入特性表示出来【5】。 以往的感应测井仪仅仅能够对水平方向电阻率进行测量，无法精确地对油气储层中的一些关键参数进行描述，无法精确地对含油气饱和度进行确定，因而非常容易漏测与低估各向异性储层5-oI。 但是当阵列感应测井开发出来之后，上述难题就能够迎刃而解。 阵列感应测井通过运用多频激励，其能够提供多个曲线，且该曲线在不同深度具有相同的分辨率，并且能够提供足够数量的探测曲线，对那些电阻率较低、不太敏感的区域进行直接测量，因此能够准确探测到油气层；去噪效果好，能够成功抵消多种趋肤效应和环境的影响，对特征信号进行提取、处理，准确计算地层的电阻值，并和其他技术手段共同算出含油饱和度，通过这些技术指标可以对油气储藏能力进行评价。 当代社会处于高科技时代，科学技术高速发展，人们通过对地层的深入研究来迸一步了解地球。 以往感应测井技术都是以地层的垂直和水平电阻率为基础的，当然阵列感应测井也不例外，因而它们具有一个共同的特点，就是各向同性，但是现实中含油气非常丰富的沙泥岩薄互层和其他的油气层具有各向异性【8。 91。 不管是基于当前阵列感应测井还是以往感应测井的仪器，因为用于接收信号和发射信号的线圈与仪器轴是相互垂直的，因此非常适合在仪器轴和地层相互垂直的井眼中使用，但是随着勘测技术的不断发展，勘测对象不只是局限在垂直井，在水平井的勘测以及对勘测精度要求非常高的情况下，当前感应测井仪器具有非常明显的局限性。 关于三维感应测井技术，其仪器布置多组三个相互正交的接收线圈和三个相互正交的发射线圈，能够对水平井所处的层面位置、方位堕室互鎏盔堂堡主兰垒堡奎角、地层倾角、垂直电阻率和水平电阻率进行直接测量，也能够准确测量各向异性油层，计算出地层倾斜度和含油饱和度等参数，它的以上优点使得它可以完成以往技术所不能完成的任务，比如对水平井以及斜度很大的井进行测量，这也是现代测井技术的发展趋势和重点【州11。 如图1I所示，从原理上说明了传统的感应测井和三维感应测井的区别。 因为三维感应澜4井将是以后勘测市场的主流技术，所以全世界的测井公司都在全力开发三维感应测井仪器，在这之中，斯伦贝谢和BakerArias公司分别研发出了Rt Scanner以及3DEX(即三雏感应测井仪)。 鼾传统感应捌井鲁向厨眭三罐应“#各自，H生植蛲蓐磨阱三耀E庄猷田11传统露应测井和三维蓥应测井原理对比12癌应涓井的发展动态及历史在1927年，自从两个法国人sehlumberger和Conrad schlumbcrger在法国一座名为pechelbronn的油田中对电测井曲线进行首次记录以来，物理测井技术得到了飞速发展。 纵观测井仪器的发展历程，其经历以下几个阶段一是普通电极系；二是电位差计点测量；三是照相模拟记录仪；四是磁带记录仪，1972年，计算机运用到测井系统上，能够划分成为以下几个阶段一是定性解释阶段；二是定量解释阶段；三是分析评价阶段121。 在起步阶段，石油勘探测井主要运用于定性分析，究其目的为将厚油层储量准确探明，该要求对感应测井所需精度要求较低。 因此在仪器的研发过程中，无需充分考虑井眼附近的环境影响以及分辨率等因素，因此测井仪器仅需提供中、深电阻率曲线方可，该两条曲线就能够对评价地层解释以及对地层电阻率进行估计【I”。 随着当今测井技术的不断发展和探测要求的不断提高，因而感应测井在仪器设计和理论研究方面取得长足的进步。 此外，随着多分量感应测井、阵列感应测井等一系列测井技术的出现，感应测井仪器技术和性能都有了较大的进步，一方面能够将地层电阻率更为准确反映出来，另一hn玎kh即第一章绪论方面还能够对油气可动性进行探测，与此同时还能够对各向异性地层以及薄储层进行准确的分析和评价131。 121国外的发展动态关于感应测井仪器的发展，其先后经历以下历程一是单感应；二是双感应；三是相量感应；四是阵列感应；五是三维阵列感应等。 二十世纪五十年代初期到八十年代初期，该时期感应测井基本上建立了较为完整的理论体系，有力的推动了感应测井技术不断发展，到了二十世纪八十年代中期，阵列感应测井问世，该技术是以计算机技术和电子技术为基础而提出的一种成像测井方、法【14】。 测井技术在国外已有多年的应用经验，在这个过程中，感应测井技术不断发展完善，目前已经形成了一个比较成熟的技术体系，同时也有一个较为稳定的市场作为支撑，它们彼此相互影响、相互发展，不断开发出性能更好、更稳定的型测井仪器。 八十年代中期，BPB公司率先创新关于阵列感应测井的探索，在机理上开展进一步研究，并在产品上实现了突破，其开发的阵列感应测井仪共有一个发射线圈和四个接收线圈，用来实现对信号的发射和接收，在商业上获得了巨大的成功【l51。 八十年代末，阵列感应测井仪问世，最具代表性的公司为斯伦贝谢公司，1990年该公司推出用于商业用途的AIT-B。 该仪器具有八个接收线圈、一个发射线圈、三个工作频率，能够实时提取出信号的虚实部，对井眼的数据信息进行整合，最终获得不同深度的探测曲线和不同分辨率的探测曲线【1们。 BakerAtlas公司在1996年研发出HDIL型阵列感应测井仪，并且该测井仪具有高分辨率，七个接收线圈、一个发射线圈、八种工作频率，能够同时测量虚部与实部信号，获取六种不同径向探测深度以及三种不同纵向分辨率的测井曲线【171。 该公司在2000年开发出世界上第一套三维感应测井仪，这种仪器共有三对接收线圈和一对发射线圈，能够对H吖、H。 、H聪、Hrj以及H露磁场分量进行测量，能够同时取得地层垂直电阻率与水平电阻率，非常适合对各向异性地层的测量【l引。 斯伦贝谢公司在xx年推出一款三维感应测井仪。 其运用两个三轴接收器、一个三轴发射器，并且每一个线圈系具有两个横向线圈和Z轴线圈，从而形成一个正交线圈系【l91。 122国内现状我国现在在勘探行业采用的感应测井技术都是从国外引进的，或者在国外技术的基础上进行改进，技术相对落后，停留在欧美发达国家八十年代水准，国内很少有企业或机构自主研发的感应测井技术。 最近几年，我国对资源的需求越来越大，在资源勘测过程中对技术仪器的要求也越来越高，测井技术获得了很大的关注，因此我国引进了很多国外的先进技术，对这些技3西安石油大学硕士学位论文术进行探索，将其中的精华据为己用，不断尝试去研发和设计出一些高水准、高性能的测井仪器，从而推动了我国感应测井技术的不断提高。 九十年代初，我国石油巨头中海油和中国石化分别购买了斯伦贝谢公司的产品，在投入使用后对该设备进行研究，获得了结构设计、参数设定方面的经验；之后国内企业纷纷购买国外生产的测井仪，比如购买了HaUiburton公司所研发的HRAI感应测井仪以及BakerAtlas公司所研发的HDIL型测并仪【2们。 关于阵列感应测井仪在国内研究，中石油对其研究相对较早，通过对阵列感应测井仪的深入分析研究，在测井原理、测量系统的电路构成、仪器的结构设计及参数指标方面取得了很多成果，并做出了样机，为我国自主研发测井设备打下坚实的基础。 中石油公司在xx年开始了该样机的进一步研制和完善工作【21。 最近几年，我国感应测井技术虽然取得长足的发展，但与欧美测井技术还具有一段明显的距离。 目前我国在三维感应测井技术的研究上还停留在理论和机理研究阶段，想完成自主开发的三维感应测井仪还有一段漫长的路要走。 开发出具有独立知识产权的测井仪对提升国内测井技术以及打破国外测井技术垄断具有非常深远的意义。 13论文主要研究内容及结构本文共由五章组成。 论文重点描述了三维感应测井仪的设计过程，尤其是多通道数据采集系统的设计，全文的结构如下第一章主要介绍了本课题的研究背景和意义，综述了目前国内外感应测井技术的研究现状，简单说明了感应测井技术在国内勘测行业的应用情况以及论文结构。 第二章为系统方案设计。 开始对感应测井的设计原理进行了描述，再简单讲述了三维感应测井仪的构造和结构，最后在满足系统所需要的功能要求的前提下，特别对系统的稳定性、耐高温、抗干扰强等特点，对各模块分别设计，最终提出两种不同结构体系的方案，并从系统单项性能、综合性能、制作成本等方面进行综合测评，从而确定哪个方案是最适合的方案。 第三章为三维感应测井仪多道数据采集系统硬件电路设计。 本章主要介绍了数据采集系统的模块设计过程，包括芯片的选型，结构组成、模块的实现等等，具体流程如下一是对选用的芯片进行详细介绍；二是介绍了电源模块的说明和设计、数据处理模块、总线接口模块、数据缓存模块、采集控制模块、低通滤波模块、数转换模块以及前置放大模块；三是对部分模块的电路图进行介绍。 第四章为多道数据采集系统软件设计。 本章着重对其软件设计进行了详细介绍，重点阐述了FPGA软件和DSP软件的设计方案和实现过程；随后对DSP所具有的两大主要功能进行介绍，说明了信号处理中滤波功能的实现过程。 第五章为系统的模拟仿真及实验结果的分析。 本章首先对系统设计前的仿真工作，比如前置放大电路的仿真等等，将仿真结果和理论结果进行比对，证明了该方案是可行4第一章绪论的；随后设计出一个专门的实验平台，用于数据采集通道精确性的验证工作，并对其进行了大量的模拟和实验。 西安石油大学硕士学位论文第二章感应测井仪采集系统方案设计21三维感应测井原理感应测井是一种检测地层电导率的测井方法，该方法基于电磁感应原理，测量地层中涡流产生的电磁场在接收线圈中产生的感应电动势，以确定地层的电导率，其感应线圈由以下两部分组成一是接收线圈；二是发射线圈口。 当发射线圈中通入交变电流时，则交变电流就会在周围产生磁场，该磁场能在地层中产生电势差，在电势差的作用下则会有电流流动，也叫做涡流口。 一般情况下，涡流是呈圆形流动的，且以井轴为圆心，但是半径不是单一的，会形成多个以井轴为圆心的圆形路径，并且每个涡流都会产生一个磁场，他们相互交汇，涡流越大它产生的磁场也就越大，底层电导率也越大，且它的相位比发射电流滞后90度，换而言之，底层电导率与涡流大小具有一定的相关性。 在接收线圈中，涡流产生的磁场会产生感应电动势，磁场的强度与该电动势成正比，所以也和地层电导率具有一定的相关性。 涡流比二次电动势提前90度，此为实部信号，发射电流比实部信号提前180度。 发射线圈中通入的电流能够接收线圈中产生一次直接感应电动势，此为虚部信号，发射电流比虚部信号提前90度。 一般来说，实部信号比虚部信号幅度小很多。 关于相敏检波器，其作用是用来对这两个信号进行检测。 如图21所示为感应测井结构原理图。 P自盘射电连L田2-1蘑应测井结构原理示意田22三维感应测井仪的整体架构三维感应测井仪组成部分如下一是芯轴短节；二是发射短节；三是接收短节，如图2-2所示为其总体结构。 通过地面系统发出的测井指令，这就会在发射短节中形成大量的电磁波形，再利用功率放大功能将其放大，随后把波形传输到XYZ中，且该传输是以特定顺序进行的。 第二章感应测井仪采集系统方案设计利用电磁感应等修相关原理理论，就会在接收线圈中形成相应的测井信号，在前置放大模块进行滤波、信号放大和多路开关后，传送到ADC采样从而转化成为数字信号，然后接收短节处理所接收的信号，将其中有用信号提取出来，然后借助遥传短节传输到地面系统。 对信号进行提取再通过遥传短节传输给地面系统。 接收短节由供电电源、继电器板和接收线路板组成，在勘测中采集到的信号是非常弱的，所以要进行放大，并进行滤波。 馘嘏蕃峨鼍蜒，广1l厂一r1广境艇一iL兰b|鬃事接一l卜半芋-II I1r Jl一“一IILl lI I广厂目母I I叫辩默r_t譬拄一叫I Il IJ1_J II广l北囤。 lll-l I一tl_l I_-lIi1卜lll世|II簟lI旧乖引妻口I-It。 ll羳l鼍电lT。 一甜尊皤季，甘t图一三维感应测并仪总体架构23整体需求分231技术指标要 (1)使用温度；耐温性能好，在高的环境下能持续工作4个小时；在常下能连续正常工作8个小时以上 (2)多通道同步采样，分辨率16位 (3)工作频率2沤珏越K珏z，允许使用多种频率 (4)数据传输时间；一，主E (5)PCB板宽度要求；巷6)测量精度。 ，或2于均质地层中(7)测量范围水平电阻率表示为西安石油大学硕士学位论文垂直电阻率表示为02100f2m电性各向异性表示为1-20232数据采集系统总体设计原则测井仪器的工作环境十分恶劣，基本上都处于高温高压的环境下，当探测深度达到三千米时，地层的温度将达到150摄氏度，这时能够采集到的有用信号很微弱，而由于地磁等因素导致噪声很大，要想提取出需要的信号，系统的稳定性一抗干扰、耐高温等性能因素就必须重点考虑。 要提高的系统的耐高温能力，最直接的办法就是选择耐高温的板材和元件。 而选择元器件通常优先考虑军品级器件以及汽车级器件。 因为技术必须要求系统在温度大于150摄氏度时能够持续工作四小时，因此系统的所有芯片都必须进行多次、多片、长时间的高温实验，以确保系统的耐高温性能。 板材能够选用对温度和环境要求非常严格的ARLON85N。 该板材具有超高的玻璃转换温度以及热分解温度，常常用于半导体老化测试、石油钻井、航空设备的控制系统等领域。 提高系统噪声性能与系统信噪比息息相关。 增加信噪比的方式主要有以下几种 一、在前置放大器中，选择输入电阻大、共模抑制比高的电路，这样不仅可以增加信号提取的准确度，另一方面还能够在一定程度上抑制共模噪声； 二、关于原始携带噪声信号，其前置放大部分一般采用低噪声、高性能的运算放大器，从而大大降低电路的噪声； 三、采用模拟滤波电路和数字滤波电路来讲无用信号进行滤除，从而提高信噪比； 四、信号在各个模块间采用差分传送的手段来进行传递，能够在很大程度上抑制共模噪声 五、对各级电路供电电源进行电源滤波，滤除电源工频干扰； 六、对于一些关键的前置放大器，一般实行屏蔽处理，从而有效避免外界干扰。 24数据采集系统总体设计方案本文主要研究三维感应测井仪器的数据采集系统的设计和实现，以及时序算法在该系统中的应用。 原有的数据采集系统所采用的元器件性能不完善，因此数据采集系统的性能也受到了限制，一些特别依赖元器件稳定性的功能不能完全发挥，在掌握先前项目工作有关实际情况的基础上，对三维感应测井仪器的数据采集系统进行优化设计，并对三维感应测井设计原理进行深入分析研究，进一步设计出一种采集系统硬件和软件优化方案。 如图23所示为三维感应测井仪的数据采集系统结构原理图。 该数据采集系统组成模块为一是与发射短节通讯的模块；二是与遥传短节通讯的CAN接口的模块；三是模数转换；四是上传、命令解析以及数据处理模块的模块五第二章感应测井仪采集系统方案设计是数据缓存与信号采集控制的模块；六是前置放大滤波的模块。 图2-3三维感应测井仪采集系统总体结构图 一、前置放大滤波井下能够采集到的信号非常微弱，并夹杂着很多背景噪声，需要对信号进行放大滤波处理。 二、模数转换模块把模拟信号转化成为数字信号； 三、数据缓存与信号采集控制控制模数转换器缓存数据以及数据采集； 四、与发射短节通讯通过该模块，发射短节可以获得地面系统发送的测井命令。 五、命令解析和数据处理、上传将地面系统发送的测井命令进行解析，并把命令下发给其他相关模块，使之执行相应的动作；将采集信号实行算法处理，再通过CAN总线利用遥传短节发送到地面系统，以便地面系统判断与分析。 六、CAN通讯接口起一个桥梁作用，通过该接口，数据采集系统可以获得地面系统发送的测井命令，而地面系统可以获得数据采集系统采集到的测井数据。 241系统架构方案的设计图2-4数据采集系统架构设计方案9西安石油大学硕士学位论文三维感应测井仪包括一个发射器和八个接收器，发射器由在直角坐标系内相互正交的三个线圈组成，它的周围布置了八个接收器，并且他们之间的距离各不相同，距离发射器最近的四个接收器都只有一个线圈，其他四个接收器都有三个线圈，每个线圈对应一个数据采集通道，所以一共需要十六个数据采集通道，为便于控制，采用多路开关将十六个通道分为两组，每次可以采集八组数据。 系统结构采用1DSP+2FPGA，DSP是主控制单元，其功能为复负责与FPGA以及遥传系统之间的通讯。 图24描述了三维测井仪数据采集系统架构设计的方案。 在方案中，系统的核心为1DSP+2FPGA模块。 FPGA具有如下功能 一、形成程控控制信号、DA控制信号、多路开关控制信号、继电器控制信号等； 二、在FPGA中开辟多个FIFO存储采样数据； 三、FPGA接收AD采样的信息，并将信息传给DSPDSP是整个仪器非常重要的组成部分，不仅作为通讯中心把地面系统和井下仪器连接起来，还控制着井下仪器的运行，它具有以下几个功能 一、读取FPGA中的采样数据，并对其进行相关算法处理； 二、解析地面系统发送的命令； 三、通过CAN总线接口接收地面系统的指令； 四、通过CAN接口发送采样数据到地面系统； 五、与发射短节通讯对发射短节什么时候开始发射进行控制，接收发射短节所发送的激励电流、线圈系温度等参数测量。 DSP初步选型为ADI公司的ADSP21992，与原多道数据采集系统DSPADSP21060相比有如下优势 一、除了其他DSP拥有的基本元器件外，还有多个内置定时器，这样在进行编程时可以更加方便，编程方式也更加多变；除此之外还具有CAN总线接口和一个十四位的AD转换器，由于具有CAN总线接口也是的数据的上床更加方便，无需设计一个独立的CAN总线接口板； 二、内部具有一个锁相环倍频电路，且该电路可实现编程，具有更快的指令执行速率，最高能够高达160MIPS； 三、能够提供一个快速的指令执行速度，同ADSP21060的40MIPS相比，非常适合大量数据的处理； 四、支持IO操作，DSP对外围电路的操作更加方便； 五、采用33V25V电压供电，功耗低； 六、配置JTAG接口，可以通过其他软件烧写FLASH，还可以调试程序，使用起来非常方便，大大节省了开发时间。 该芯片已经成功应用于其他系统，通过实践证明，这款芯片的性能优秀，能够实现预期的功能，尤其是它的耐高温性能，在一些特殊场合得到验证，当温度高于170摄氏第二章感应测井仪采集系统方案设计度时，该芯片仍然可以稳定工作，从而满足井下仪器需要具备在高温高压等恶劣环境下仍然稳定运行的要求【24】。 使用的FPGA芯片是由Actel公司研发的A3P1000，其具有较低的功耗，运用了flash技术，其内部具有60个4608为RAM块、270Kbits的RAM、38400个D触发器、15M逻辑门电路，通过扩展可拥有八个用户io端口，足以满足各种类型用户的需求，自带的JTAG接口，可用来烧写FLASH和调试程序，能够有效降低开发周期瞵1。 25本章小结本章首先对感应测井的原理进行了详细描述，再对三维感应测并仪的结构构造进行了简单分析，最后在满足系统高稳定性、高耐温性等特殊要求及预期的系统性能的基础上，设计出一套了数据采集系统的总体设计方案。 西安石油大学硕士学位论文第三章三维感应测井仪数据采集系统硬件电路设计在测井仪当中有一个非常核心的内容，就是对数据的出来，在测井仪当中完成数据处理的是三维感应数据采集系统，它是通过DSP和FPGA的联合使用来完成整个测井过程的。 在测井过程中上传功能、数据的处理、数据采集控制以及命令解析，主要由以下几个部分组成一是电源模块；二是数据处理模块；三是总线接口模块；四是数据缓存与采集控制模块；五是低通滤波模块六是模数转换模块；七是前置放大模块。 因为2片FPGA的电路完全相同，所以本论文中只对1DSP+1FPGA的电路原理结构图进行详细介绍，如31所示为数据采集系统的电路结构设计原理图。 争嘭-丽丽#t量蟊蕊强j莹号圈涮i#亟菇础y疆蚤；虹茧亘i垂互X_-每蟛遁面船量溺函疆。 图3-1数据采集系统的电路结构设计原理图该系统的主要功能如下所示一是将模拟信号转换成数字信号；二是将地面系统传输来的测井命令进行解析；三是形成时序控制信号以及激励信号；四是实时缓存数据，并对信号进行相关算法处理；五是将强噪声背景下非常微弱的信号实行前置滤波与放大，提高信噪比以及将无用噪声过滤掉； 六、把处理之后的结果传输到地面系统以便其判断与分析。 31前置放大模块在噪声当中如果要提取微弱信号时非常困难的，要想提取则必须设计一个具有放大功能的电路，同时该电路要具有低噪声和高性能等。 若采用多级的放大电路，那么在第一级当中的噪声系数起着关键性的作用，它对后面的电路设计产生着重要影响。 在第一级当中提取到的信号时非常微弱的，但如果通过放大的作用那么其中夹杂的噪声是十分明显的。 所以，低噪高效的放大电路的设计是非常重要的。 既要保证噪声低，同时又要保证放大效果的明显。 建立一个高效低噪的放大电路是十分必要的，要通过各个方面的着手工作开始。 例如有效屏蔽外界干扰；电源最好运用低供电，以降低电路所需功耗，从而降低电路板的温度；对电路板进行合理布局，对地进行适当处理，降低由地所造成的噪声将供电电源滤波，降低供电电源所造成的干扰；借助低噪声的运放；运用差分输入，从而抑制共模干扰；选用适当的放大电路，选取适当的放大倍数。 12第三章三维感应测井仪数据采集系统硬件电路设计311低噪声前置放大电路设计在本系统中，低噪声前置放大电路运用由AD8130构成的第二级放大电路以及AD8022构成的第一级仪用放大电路【26。 我们在第一级的放大电路中采用一些特殊的技术，比如差分输入的方法来提高在放大过程中的抗干扰性。 在采用差分输入时我们将电路同时将两个端口相连，这样可使整个电路具有更高的一致性，能够对放大倍数进行调控，增加阻抗等特点。 同时可以弥补有温度造成的电压不稳定的现象。 采用AD8022的低功效的、电源充足的放大其，能够很好的保证整个放大电路的稳定性和一致性，能够减少在信号中的影响。 关于第二级一般放大电路是由l片AD8130构成。 其能够把第一级放大电路输出的差分转换成为单端信号，再传送到低通滤波电路中来实行滤波。 如图32所示为前置放大电路的原理图。 图32前置放大电路312低噪声前置放大噪声计算在本文中运用的放大器电路，其噪声源的主要有五种，分别是事物爆裂产生的噪声、热噪声、发生雪崩产生的噪声等。 对本文中对电路影响非常大的噪声是闪烁和热噪声两种噪声类型。 在电路中电阻的热效应是产生热噪声的根源，其热噪声的产生可以理解为一个无噪声的电阻和一个电源组成的连接体，如图33所示为其等效模型。 等效的噪声电压源的均方值为e2=f4kTRdf(31)J13西安石油大学硕士学位论文中翼矗脚I=J化，阿，=他?，谚(32)图3-4运算放大器的噪声模型运算放大器的固有噪声能够用一个内部无噪声的理想的运算放大器，将噪声电压源串联在其同相端，将噪声电流源串联在其反相端来对其固有噪声进行描述271，如图34所示为其噪声模型。 14第三章三维感应测井仪数据采集系统硬件电路设计计算仪用放大器电路自身具有的固有噪声时，假设其输入为零，那么前面仪用放大器电路用图34所示的运算放大器的噪声模型可以等效为如图35所示。 图3-5仪用放大器电路的噪声等效模型在整个放大器的电路当中，电阻由于热效应产生的热噪声对电路的影响和作用主要如表31所示，其中在计算时忽略信号源自身电阻，在这之中R。 =2150Q、R，=180Q、R。 =120Q、R1=R2=2700f2，增益G2=I+R4R3=13，增益Gl=I+RlR。 =46。 15西安石油大学硕士学位论文囊3仪甩放大电碡鲁魄单蝴Ttllti黼名称噪声功率Ro铲77f4kT学2矿R1耳=4kTR，G2afR2虿=4kTRG22afR3爵=TR，(争2矽R4E；=14kTR4af综上所述，仪用放大器电路中总的电阻热噪声ERrmsE胁届磊了西i面(33)I仅k=13810彩JK，T=300，经计算得到，E蛐=(7010-13Xbandwidth)u2(V)=14mV，其中bandwidth取AD8022在增益为46的带宽28MHz。 如下表32所示，是放大器电路中各种噪声对电路输入端的影响作用。 表3-2运算簋大量嗓声电压臻声电蠹荤蕴怍甩手输出曩的寰声功辜名称噪声功率A1噪声电压enl E二=(e。 G。 G2)2afA2噪声电压2E三=(G。 G)2dfA3噪声电压en3碚p=J(巳，G2)2afAI电流噪声inl砭。 =肌RG)2afA2电流噪声in2瓦=心恐G2)2A3正端电流噪声i3pEn23p(i3PRIG)2afA3正端噪声电流i3。 瓦2，。 -=kR2G)2af综上所述，仪用放大器电路中运放自身噪声Eo栅。 届忑嘉孬诱罩嘉菰(34)通过参考芯片datasheet参数，取bandwidth=28MHz计算可得，EoA娜-514mV。 仪用放大器电路的总噪声ET傩满足=扛磊面(35)16第三章三维感应测井仪数据采集系统硬件电路设计ET眦=53mV，那么输入噪声电压ET珊(Gl xG2l=88pV32模数转换模块模数转换模块分成四路独立的完全相同的信号采集通道，并且所有的通道输入的信号输入的频率一般是在20到200K赫兹，根据定律内容我们可以得知，对采样频率的选择我们一般要高于信号频率的两倍，在选择转换器时，我们选择ADI公司研发的AD7982。 供电选择25单电源，其接口电平对33V、25V和18V等其他逻辑电平均支持；SPI串行接口，封装小、引脚少；动态范围是99dB，未出现管道延迟；其INL为+2LSB；功率消耗相对较低，10kSPS时功率消耗仅仅为70pW，1MSPS时功率消耗为70mW。 对于差分输入信号，AD7982对其具有相应的要求，而绝对输入电压取值范围是一O1V-Vmr+O1V，共模输入的电压取值范围是0475Vm矿0525VRFV，因此在其前端必须添加一个信号调理驱动电路用于。 关于信号调理驱动电路，其由型号为ADA48412的双运放组成，低偏置电压、低失真、低噪声和低功耗的双运放。 其电路通过采用差分输出、差分输入，具有较大的动态范围，能够很好的将AD7982驱动。 如图3-6所示为具体电路。 图3-6模数转换电路17西安石油大学硕士学位论文。 Ft。 堇唱，山。 尹一I1争q1。 。 e至z显I-llmml商tEla臀7lit上，图37电压参考源电路ADC电压参考源选取外部参考源，所选用的为ADI公司研发的ADR435。 ADR435作为电压参考源XFET的一种，具有如下特性一是低温漂；二是高精度；三是低噪声。 其温漂系数精度为2mV且低于3ppmC，灌电流和拉电流分别是-20mA、+30mA，它的工作温度一般处在零下40度到零上125度之间，而且不通过外部控制电容的作用，这种条件是符合相关条件的。 因为要给四片ADC在同一时刻供应电压参考源，在电压参考源的输出之后添加一级射随，以提升参考源所具有的驱动能力，如图37所示为电压参考源的电路图。 33低通滤波模块如果从而前置放大电路中输出的数据信息得不到过滤就传输到ADC中进行采样，因为数据信号中具有噪声从而导致ADC发生过载现象【2剐，这也就导致ADC的数据信息的采样结果不可靠，所以在ADC与前置放大部分添加一个用于过滤的滤波。 究其目的是过滤掉无用的数据信息，使得有用信号顺利通过，这能够在很大程度上提高信噪比。 在实际测量中，一般有用信号的频率较低，噪声的频率通常较高。