FPGA的泥浆电参数测量系统的设计分析和实现过程

FPGA的泥浆电参数测量系统的设计分析和实现过程

摘要：针对石油测井过程中实时获取钻杆周围地层图像信息的问题，详细

介绍了一种基于现场瓦编程门阵列(FPGA)的泥浆电参数测量系统设计和实现过

程。整个系统采用模块化设计，主要包括FP统控制器、幅度/相位检测器、值

曼调理电路以及直接数字频率合成信号发生器。该系统突破了传统测量泥浆电

参数的思路，通过测量盛有泥浆的坯彩容器复阻抗的方式间接获取泥浆的电参

数。实验结果表明，该系统满足了石油测井过程中的实际应用需要。

引言

我国地%辽阔，拥有丰富的自然资源。其中，石油是我国工^的血液，是支撑我

国经济快速发展重要能源，关系到国家能源安全、社会稳定［1］。然而在石油开

采过程中充满着各种挑战，为了实时掌握钻头部位地层图像信息以及考察泥浆

对钻井的影响，通常需要测量地层电参数［2］,并且将这些电参数传输回地面控

制台，从而实时掌握分析地层分布信息。

基于FPGA的泥浆电参数测量系统是为了满足上述工业需求而设计的。为了

获取精确的泥浆电参数，将其注入特定的环行容器内，以泥浆作为该容器的电

介质，然后测量该环形容器在特定激励频率下的复阻抗值来推导泥浆的电参

数。

1测量方法及原理

1.1测量方法

泥浆电参数测量采用间接测量方法，即通过测量盛有待测泥浆的特制环形容器

的复阻抗来反推泥浆的电参数。复阻抗Zx的测量是将一个已知电压激励Vin加

载在被测阻抗_L,然后测量流过被测阻抗的电流Iz,从而订算出被测阻抗

Zx=Vin/Izo测量原理如图1所示，①端输出为V3=-Iz•右，由此可以推巴

Iz=-V3/Rs,其中Rs为采样电阻。

激励源

图1复阻抗IV转疾电路图

1.2原理分析

根据数值分析模拟,环形电容模型可以等效为电阻R和电容C并联，如图2所

Zj\o

图2环形电容等效模型示意图

那么环形电容的等效阻抗为：

其中：

参数rl和r2分别代表的是环形电容内外半径，h表示环形容器的高度。将

式（1）简化，可以求出Zeq的实部和虚部，如下所示：

将式（2）代入式（3）后，进一步推导可以得到介质的电阻率P和介电常

数£为：

从以上推导可以得知，测量泥浆的电参数可以通过测量环形容器的等效阻

抗间接获取。

2系统构成

基于FPGA的泥浆电参数测量系统由FPGA核心控制器模块、幅度/相位检测

模块、直接数字频率合成器模块（简称DDS）、监测模块、滤波网络以及两部

分信号调理模块组成。由FPGA控制DDS模块产生两路相同的正丽高信号CHO

和CH1,其中CHO经过信号调理电路1后送给幅度相位检测电路的参考通道1,

CH1经过功放后加载在被测阻抗上，然后经过IV转换电路将流经被测阻抗的电

流转换为电压，该电压信号再经过模拟带通滤波网络后传输给幅度/相位检测电

路的2通道。

幅度/相位检测电路将两个通道的信号作对数差值，分别输出两通道信号的

幅度比和相位差给FPGA控制器，FPGA控制器根据输入的幅度比和相位差算出

被测阻抗的模值|Z和相角0。微控制器用于控制电压、温度和电流监测电

路，将采集后的监测信息送给FPGA捽制器，整个系统框图如图3所示.

图3基于FPGA的泥浆电参数测量系统框图

2.1核心控制器FPGA

文中采用Xilinx公司SPARTAN3E系列XA3S250E作为核心控制器，它采用了成

熟的90nm制造技术，每个I/O的传输速率高达622Mb/s,单片拥有25万逻

辑门资源，同时具有成本低、性能高的特点［3］。

2.2DDS模块

直接数字频率合成器(DDS)模块采用ADI公司的专用或模块AD9958,它具有2

个同步通道，且每个通道之间可以独立控制输出信号的频率、相位和幅度，频

率分辨率达到0.12Hz；内部集成有2个10位的数/模转换器(DAC),能将DDS

核生成的正弦波信号转换成模拟信号；采用串行"0接口(SPD与外界进行数据

传输，最大传输速率高达800Mbps,其内部功能框图如图4所示。

SYSTEMCLOCKSOURCE

图4AD9958功能框图

2.3幅度/相位检测电路

幅度/相位检测电路采用ADI公司的RF/IF增益/相位检测芯片AD8302,其输入

信号频率高达2.7GHz,内部有两个对数放大器和相位检测器；其增益测量范

围为-30、+30dB,精度达到30mV/dB,典型的非线性失真＜1°；工作模式有5

种，分别为幅度扫描模式、频率扫描模式、调制模式、相位扫描模式和单频调

制模式，本文中采用单频调制模式，其电路连接如图5所示。

C7

VPAD8302

COMMMFIT

Cl7TLC2

V

INAHFINPAVMAG

0OFSAMSETi

0VPOSVREFn]

C6

rHI0OFSBPSET叼

INPBVPHSoVS

A0p1i

一7COMMPFLT

C3IHL

图5AD8302在单频调制模式下的连接电路

AD8302的工（息息理是将输入的两个信号VINA和VTNB做对数运算，其中

VINB作为参考信号，VINA作为变量信号，转换后的增益输出为VMAG,相位输

出为VPHS,输入与输巴的表达式如下所示：

VMAG和VPHS经过ADC后送给FPGA处理，FPGA根据输入电压的大小转换成

对应幅度和相位，如图6和图7所示。

图6幅度与度与关系曲线

图7相位与VPHS关系曲线

2.4信号调理电路

为了实现幅度/相位检测电路测量最大动态范围，需要INPB端口的参考信号设

置在合理范围。本文中将DDS通道0产生的正弦信号经过信号调理电路传输给

AD8302o信号调理电路由4阶低通谑遗盗和反相衰减器组成，如图8所示，通

过衰减器参数调整使得幅度/相位测量动态范围最大。

图8信号调理电路

2.5功率放大电路

当激励信号幅度为1.8V时，为实现测量范围覆盖泥浆变化范围，所需电流至

少为200mA,而DDS芯片输出最大电流为10mA,无法满足设计需要，故而这

里加入功率放大电路提高信号源的驱动能力。功放电路采用了集成高速功率缓

冲器BUF634,其最大驱动电流可达250mA,输入信号带宽最大可达180MHz,

且内部具有过热保护功能，完全满足设计需要。

2.6IV转换电路

IV转换电路是将流过被测阻抗的电流转换为电压，取样精度直接影响至“测景精

度［4］。本文选用ADI公司高血度、低噪声、低偏置电流、25MHz宽频带运算

放大器AD8620作为IV转换电路的运放芯片，这里主要考虑AD8620偏置电流

IB和失调电流皿对取样精度的影响［5］。查阅据手册，在±5V供电的情况

下，AD8620的偏置电流典型值为IB=2pA,失调电流I0S=lpA,那么在零输入

的情况下，偏置电