用于双侧向测井仪的信号滤波电路设计

2022-10-28王永涛王书纯朱珺邵春

电子设计工程 2022年20期

王永涛，王书纯，朱珺，邵春

（1.中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北武汉 430074；2.湖北科技职业学院电信工程学院，湖北武汉 430070；3.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉 430074）

双侧向测井是地质钻井检测中一种常用的电阻率测井方法，其聚焦式电极阵列测得的视电阻率更接近于地层的真电阻率，为分辨出油层、煤层、水层等自然资源提供了重要的依据[1-3]。高分辨率分层是双侧向测井仪器的重要指标之一[4]，为了提高地层分辨精度，现有研究最多的是井下探头电极阵列结构，通过多电极结构的变换组合，提高分辨率[5-8]；此外，对信号数字处理的研究也比较多，但对于采集电路前端模拟信号的处理，尤其信号模拟滤波的研究比较少。文中设计并实现了两种带通滤波器电路，用于减少钻井周围的噪声干扰，提高测井仪器的检测精度。

1 总体设计思路

双侧向测井仪作业示意图如图1 所示，仪器由主控制器、电缆盘、地电极和探头四部分组成，其中结构最复杂的是探头。探头除了内部电路部分外，外表面由9 个环形导电电极构成，从上到下依次为A2、A1、N、M、A0、M′、N′、A1′、A2′，电极之间用绝缘材料填充隔离[9-11]。双侧向测井仪可以实现深侧向和浅侧向两种仪器功能，深侧向检测距离在1 m 以上，可以检测到钻井外原始围岩电阻率；浅侧向检测距离较近，可以检测钻井外液体浸没区域的电阻率。仪器其他部分功能不予详述，文中主要介绍测量信号滤波电路的设计和实现。

图1 双侧向测井仪作业示意图

根据双侧向测井仪的设计要求，两种仪器同时工作且不能互相干扰，深侧向发射32 Hz 交流信号，信号检测电路采用带通滤波器，中心频率为32 Hz，信号-3 dB 衰减时通带区间宽度为5 Hz，信号-60 dB衰减时通带区间宽度为40 Hz。浅侧向发射128 Hz交流信号，带通滤波器电路中心频率为128 Hz，信号-3 dB 衰减时通带区间宽度为10 Hz，信号-60 dB衰减时通带区间宽度为60 Hz。文中后续部分围绕这个要求，采用两种方案分别设计电路并实现滤波功能。

2 信号滤波电路设计

2.1 高阶巴特沃兹带通滤波电路设计

根据双侧向测井仪信号采集滤波目标要求，方案一使用巴特沃兹带通滤波器，其效果相对于其他类型，通带区间内信号响应是平坦的，对于存在频散效应的地层，只要信号在通带内，对结果影响很小。采用四级二阶巴特沃兹带通滤波器级联，构成八阶带通滤波器来满足要求，设计框图如图2 所示。前端电路中信号源自探头电极，信号经过变压器和初步放大后，进入带通滤波器，筛选调理后分别得到两种仪器各自的有用信号，再分别进入对应的电压检测电路。

图2 方案一滤波器电路设计框图

巴特沃兹八阶带通滤波器的核心单元是二阶滤波电路，如图3 所示。滤波电路主要由电阻、电容以及运算放大器构成，设计简单实用。运算放大器采用HJ086，四运放单片集成刚好可以满足八阶滤波需求；采用全密封陶瓷微封装特殊工艺设计，工作温度范围为-55～+200 ℃，适用于石油钻井中高温条件下长期稳定工作。200 ℃高温环境下，HJ086 转换速率为13 V/μs，对大小信号都能快速反应，输入失调电压典型值为2 mV，且随温度变化基本保持不变，便于补偿，共模抑制比可达100 dB，这些特性保证了带通滤波器能在复杂极端环境下高性能工作。

图3 二阶带通滤波器电路原理图

在巴特沃兹二阶带通滤波器电路中，电阻为1%精度200 ℃高温电阻，电容为5%精度200 ℃高温电容，以保证滤波电路在恶劣环境下稳定运行。表1 列出了电路中的电阻和电容值。为了保持电路一致性和后续修改的灵活性，每个二阶模块都按照图3设计，其中A1-A4 是深侧向的4 个二阶模块，等效品质因数Q值分别为16.8、16.8、6.93、6.93；A5-A8 是浅侧向的4 个二阶模块，Q值分别为31.9、31.9、13.2、13.2。表1 中A3、A4的R4、R5电阻值N 表示断路，也就是实际电路中不焊接电阻。同时，由于高温器件不易购买，为了降低实际电路焊接调试的难度，在设计时不同的二阶模块尽量使用相同值的电阻和电容。

表1 滤波电路电阻电容值

由于巴特沃兹二阶带通滤波器电路中电阻、电容精度的原因，实际电路电压增益会出现偏差。以深侧向32 Hz 信号为例，按照表1 中参数设计，使用ADI 公司filterwizard 软件仿真，实际电路电压增益如如图4 所示。图中阴影部分表示可能的增益，在中心频率处电压增益0.2～6.5 倍不等（阴影部分中的实线为理论值），这一现象在小批量生产的10 台仪器实测中也被验证，即使使用同一批次的原材料，电路焊接后，每台仪器中心频率处电压增益略有不同，为了保证仪器的检测精度和后续统一定标，在滤波电路后面加入信号调理电路，校正32 Hz 处电压增益，将其统一为一倍增益。

图4 深侧向滤波电路电压增益仿真图

以上设计的巴特沃兹八阶带通滤波器电路很好地完成了滤波任务。经测试，深侧向滤波电路-60 dB衰减阻带区间位于17.7 Hz 和57.7 Hz 之外，浅侧向滤波电路-60 dB 衰减阻带区间位于95.6 Hz和156 Hz之外。两种电路均把大地中逸散的50 Hz 市电以及其二次、三次谐波压制到很小的值，滤除了检测过程的市电强电流干扰[12-14]。

2.2 专用芯片滤波电路设计

根据双侧向测井仪信号采集目标要求，方案二使用专用芯片为核心电路设计带通滤波器，设计框图如图5 所示。框图中前端电路和后端信号调理电路的作用与方案一设计中功能相同，在此不再赘述。专用芯片电路采用LINEAR 公司生产的滤波器芯片LTC1068，这款芯片的滤波中心频率低至1 Hz，特别适合于低频地质仪器设备，可以自由设计成低通、高通、带通滤波器。该方案应用LTC1068 为核心电路设计成八阶带通滤波器，完成双侧向测井仪信号采集设计任务。

图5 专用芯片滤波器电路设计框图

LTC1068 滤波电路原理图如图6 所示，LTC1068芯片单片集成了4 个二阶滤波单元，分别为二阶单元A、B、C、D。考虑到芯片的引脚位置便于电路板布线，把4个二阶滤波单元分成两组，单元A和D为一组，单元B 和C 为另一组，信号从芯片1 脚输入，从芯片17脚输出。在LTC1068芯片滤波电路部分，深侧向和浅侧向硬件电路完全相同，唯一区别是输入时钟FCLK不同。图6 实现的滤波器中心频率fC为FCLK 的1/128，-3 dB 通带范围为fC的0.88～1.12 倍，即深侧向仪器中心频率为32 Hz，FCLK为4.096 kHz，-3 dB 通带范围为28.16～35.84 Hz；浅侧向仪器中心频率为128 Hz，FCLK 为16.384 kHz，-3 dB 通带范围为112.64～143.36 Hz。

图6 LTC1068滤波电路原理图

表2 以深侧向仪器为例，给出了LTC1068 滤波电路参数，其中，fC的值为32 Hz。根据芯片资料，计算并分别列出了4 个二阶滤波单元的中心频率f0、Q值和滤波器类型。

表2 LTC1068滤波电路参数

同理，浅侧向仪器4 个二阶滤波单元的中心频率分别为105.2 Hz、126.8 Hz、111.6 Hz、144.8 Hz，级联构成的八阶带通滤波器的中心频率为128 Hz。

LTC1068 带通滤波器的fC与输入时钟FCLK 呈倍数关系，FCLK 决定了很多重要参数。方案二中采用硅振荡器和FPGA 联合电路，实现数字可编程的精确频率输出，从而驱动LTC1068 的FCLK 引脚。硅振荡器采用芯片LTC6930-4.19，其原理图如图7 所示，输出频率CLK 由DIVC、DIVB、DIVA 三个控制引脚决定。控制引脚接到仪器MCU 的IO 口上，根据输入信号的变化实时改变带通滤波器参数，进而扩充该方案的使用范围。CLK 输出范围为32.768 kHz～4.19 MHz，该方案中3 个控制引脚逻辑默认为“111”，CLK 输出为32.768 kHz，接入到FPGA 芯片EP4CE22 E22I8LN中[15-16]，经过八分频后输出深侧向仪器需要的FCLK1 频率值4.096 kHz，经过二分频后输出浅侧向仪器需要的FCLK2 频率值16.384 kHz。

图7 硅振荡器LTC6930-4.19原理图

3 两种滤波电路对比及应用

前面详细阐述了两种滤波方案，一种是巴特沃兹八阶带通滤波器电路，其特点是简单实用，滤波效果好，可用于深度大于2 000 m 的石油钻井中；另一种是以专用芯片LTC1068 为核心的带通滤波器，特点是可编程配置中心频率，灵活性好，可用于深度小于1 000 m 的煤炭和矿产普查钻井中。表3 列出了两种滤波电路详细性能。

表3 两种滤波电路性能对比

图8和图9是用巴特沃兹八阶带通滤波器分别检测深侧向仪大、小信号的滤波实验效果图。图10 和图11 是以专用芯片LTC1068 为核心的带通滤波器分别检测浅侧向仪大、小信号的滤波实验效果图。实验效果图用示波器观测所得，四张图中上半部分显示的是滤波后的信号，下半部分显示的是滤波前的信号，从实验图中发现两种滤波器实际运行效果都较好。