孟麗杰 余厚全 魏 勇 周啟成

(1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023； 2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 湖北 武漢 430100)

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一種基于AD7356的超聲反射測(cè)井全波列數(shù)字化方案*

孟麗杰1余厚全1魏 勇1周啟成2

(1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023； 2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 湖北 武漢 430100)

提出了一種基于AD7356的測(cè)井信號(hào)數(shù)字化方案。經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明該設(shè)計(jì)方案具有體積小、功耗低、精度高，速度快等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，很好地滿足聲波測(cè)井信號(hào)井下數(shù)字化和相關(guān)應(yīng)用的要求。

聲波測(cè)井；FPGA；數(shù)據(jù)采集

0 引 言

為了提高測(cè)井的效率，準(zhǔn)確、直觀、完整地獲取和顯示井下地層的信息，當(dāng)今測(cè)井技術(shù)正朝著成像化、陳列化、組合式方向發(fā)展。這就意味著井下儀器裝配的探測(cè)器越來(lái)越多，檢測(cè)信號(hào)的通道越來(lái)越多，需要數(shù)字化的信息越來(lái)越多，要求量化的精度越來(lái)越高，量化的速度越來(lái)越快。歸結(jié)起來(lái)，測(cè)井技術(shù)的發(fā)展對(duì)井下數(shù)字化部件的要求具有如下特點(diǎn)：精度高，速度快，功耗低，體積小，穩(wěn)定性好。因此，在井下儀器的研發(fā)過(guò)程中，高性能、高集成度的數(shù)字化部件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就尤為重要[1]。本文根據(jù)井下儀器數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)的要求，選擇AD7356集成芯片，以超聲反射測(cè)井信號(hào)數(shù)字化為應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 AD7356數(shù)字化芯片介紹

AD7356是Analog Device公司生產(chǎn)的一款雙通道、高速、高精度、低功耗高集成度的逐次逼近型ADC芯片。該芯片配有兩個(gè)全差分模擬輸入對(duì)、2個(gè)片上差分采樣保持放大器、2個(gè)逐次逼近型ADC、2個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出接口。其功能框圖如圖1-(a)所示。

芯片采用2.5 V單電源供電，轉(zhuǎn)換精度12位，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)5 MSPS。在最高吞吐速率下，典型功耗為14 mA。芯片具有部分掉電和完全掉電兩種休眠模式，在完全掉電模式下，典型功耗為5 μA。由于采用串行數(shù)據(jù)輸出，芯片對(duì)外引腳只有16腳，且采用超薄緊縮小型封裝(TSSOP)，芯片的長(zhǎng)寬厚為6.4 mm×5.1 mm ×1.2 mm，體積小，與其它解決方案相比，非常節(jié)省空間。工業(yè)級(jí)芯片的標(biāo)稱工作溫度范圍為-40℃～+125℃，實(shí)際可工作到135℃，且經(jīng)過(guò)封裝改進(jìn)，在170℃的環(huán)境下可穩(wěn)定工作。

芯片的轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采集過(guò)程均采用標(biāo)準(zhǔn)控制輸入，簡(jiǎn)單方便，極易與外部微處理器或DSP接口。芯片在片選信號(hào)下降沿對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)在此時(shí)刻開(kāi)始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間由SCLK頻率決定，轉(zhuǎn)換結(jié)果分別從兩路串行接口輸出。轉(zhuǎn)換的控制時(shí)序如圖1-(b)所示。

圖1 AD7356功能框圖和工作時(shí)序

綜上，AD7356精度高、速度快、功耗低、體積小、溫度性能好，是目前同類(lèi)同系列的ADC中綜合性能最好的器件，能夠滿足目前石油測(cè)井井下儀器絕大部分信號(hào)的數(shù)字化需求，為井下測(cè)井信號(hào)的數(shù)字化提供了可選的解決方案。

2 基于AD7356的超聲反射測(cè)井全波列數(shù)字化模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲反射測(cè)井主要是超聲反射井壁成像(井下超聲電視)和超聲反射固井質(zhì)量檢測(cè)。常規(guī)的井下超聲電視測(cè)井是井壁回波首波峰值數(shù)字化，超聲反射固井質(zhì)量檢測(cè)則是對(duì)回波的全波列數(shù)字化。圖2是將兩者合二為一的數(shù)字化解決方案。整個(gè)方案由超聲發(fā)射電路、接收電路、數(shù)字化電路和數(shù)字信號(hào)處理模塊四部分組成。超聲發(fā)射電路激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波，接收到的反射回波進(jìn)入前置放大濾波器和可控增益放大器。放大濾波后的信號(hào)先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再送入AD轉(zhuǎn)換器對(duì)全波列信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，在超聲電視模式下進(jìn)行回波首波峰值和到達(dá)時(shí)間提取，固井質(zhì)量檢測(cè)模式下進(jìn)行全波列信號(hào)的膠結(jié)特征提出。最后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或上傳[2]。

圖2 超聲電視和超聲固井質(zhì)量檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

方案采用1MHz頻率的超聲換能器，橫向掃描速率為5圈/s，橫向分辨率為256點(diǎn)/圈，故AD采樣頻率設(shè)計(jì)為4 MHz，每點(diǎn)的回波序列最多可采集3 000個(gè)樣本。

設(shè)計(jì)的數(shù)字化模塊主要由前置放大濾波器、電平極性轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和FPGA邏輯控制電路組成。其原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字化采集模塊原理框圖

2.1 前置放大濾波電路

前置放大和程控放大直接采用AD8336。它由前置放大、衰減網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大三部分組成，是一款低噪聲、高共模抑制比、具有外部壓控增益功能的放大器。通過(guò)在前置放大器的輸入端與輸出端之間串入不同值的反饋電阻，可獲得不同的前置放大增益；通過(guò)在前置放大器的輸出端和衰減網(wǎng)絡(luò)的輸入端串入有源濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的高低通濾波；通過(guò)控制衰減網(wǎng)絡(luò)的增益控制電壓，實(shí)現(xiàn)電路對(duì)信號(hào)的不同增益放大，其增益的調(diào)整動(dòng)態(tài)達(dá)60 dB。實(shí)現(xiàn)方案在AD8336的前置放大器和衰減網(wǎng)絡(luò)之間串入由兩個(gè)AD8610構(gòu)成的二階高通、低通濾波電路，以濾除信號(hào)中的無(wú)效成分；通過(guò)調(diào)整衰減網(wǎng)絡(luò)的壓控電壓，使得最終的信號(hào)電壓在AD轉(zhuǎn)換器的最佳量程范圍之內(nèi)[3]。

2.2 極性轉(zhuǎn)換電路

由于AD7356為單極性、差分輸入的AD轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)于AD8336的雙極性單端輸出信號(hào)而言，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。綜合帶寬、溫度和功耗等性能考慮，選用AD8137。它可將輸入的單端、雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分、單極性信號(hào)。AD8137的正負(fù)輸出端通過(guò)一對(duì)串聯(lián)電阻分別與ADC的相應(yīng)輸入端相連，從而使ADC前端的開(kāi)關(guān)電容的影響最小。

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路

AD轉(zhuǎn)換由AD7356完成。它對(duì)模擬輸入的采樣是在采樣時(shí)鐘輸入的下降沿進(jìn)行的，同時(shí)在此刻開(kāi)始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間由采樣時(shí)鐘頻率決定。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換速度為4 M。AD7356 在采樣時(shí)鐘ad_clk(時(shí)鐘)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

AD7356控制邏輯由FPGA產(chǎn)生，方案選用Altera公司推出的Cyclone IV系列芯片EP4CE10E22C8N。采樣頻率設(shè)計(jì)為4 MHz，AD 轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘由外部72 MHz晶振經(jīng)過(guò)FPGA 內(nèi)部分頻后產(chǎn)生[4]。

AD7356以標(biāo)準(zhǔn)的串行SPI接口將數(shù)據(jù)輸出。在片選信號(hào)ad_cs有效(低電平)的情況下，需要利用14個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿，將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。因此，在FPGA中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，用以接收ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。包括三根信號(hào)線：ad_clk、ad_data(數(shù)據(jù))和ad_cs(片選信號(hào))。當(dāng)FPGA在ad_clk上給出時(shí)鐘信號(hào)，并且使ad_cs信號(hào)為低電平時(shí)，將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換過(guò)程，當(dāng)ad_cs回到高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。AD轉(zhuǎn)換和FPGA邏輯控制電路框圖如圖4所示。

圖4 AD轉(zhuǎn)換和FPGA邏輯控制電路框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于AD7356的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)電路板，如圖5(a)所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在155℃高溫條件下，對(duì)主頻為1 MHz的超聲回波信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，實(shí)驗(yàn)板數(shù)字化結(jié)果通過(guò)通信接口上傳到上位機(jī)。上位機(jī)上顯示的回波數(shù)字波形如圖5(b)所示，波形穩(wěn)定。

圖5 基于AD7356的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)電路板和回波數(shù)字波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于AD7356模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、采用FPGA—EP4CE10進(jìn)行邏輯控制的測(cè)井井下信號(hào)數(shù)字化的解決方案。經(jīng)過(guò)電路開(kāi)發(fā)，實(shí)驗(yàn)板在155℃的高溫實(shí)驗(yàn)箱中測(cè)試，速度、精度和溫度指標(biāo)均達(dá)到井下應(yīng)用的要求，并能夠在高溫環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定工作5 h以上。通過(guò)分析上位機(jī)得到的聲波測(cè)井曲線能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輕質(zhì)水泥套管膠結(jié)質(zhì)量的檢測(cè)，形成套管井內(nèi)壁狀態(tài)和套管外水泥膠結(jié)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。因此，該方案具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度快、精度高、功耗低、集成度高的特點(diǎn)，尤其適合于井下具有溫度高、空間小、功耗低要求的信號(hào)數(shù)字化，為保障油井安全生產(chǎn)、提高油氣采收率提供先進(jìn)有效的技術(shù)手段。

[1] 楊永俠，李亞煒.基于FPGA高速數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)穆暦鶞y(cè)井系統(tǒng)[J].電子科技，2011,24,(12):42-44

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A Full Waveform Digitization Program of Ultrasonic Logging Based on AD7356

MENG Lijie1YU Houquan1WEI Yong1ZHOU Qicheng2

(1.SchoolofElectronicInformation,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China；2.SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,HuBei430100,China)

This paper proposes a logging signal digitization scheme based on AD7356.After the circuit design,development and experimental testing，the result shows that the scheme has the advantages of small size,low power consumption,high precision,high speed,etc.Moreover,it can work stably at high temperature and meets the demand for the downhole sonic logging signal digitization and related applications.

Sonic logging,FPGA,Data acquisition

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)底層評(píng)價(jià)隨鉆測(cè)井技術(shù)與裝備超聲井徑隨鉆測(cè)井儀研究(2011ZX502-002)

孟麗杰，女，1991年生，碩士研究生，現(xiàn)就讀于長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院電子與通信工程專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)槁暡y(cè)井儀器。E-mail：372745415@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2015)02-0018-03

2014-10-24 編輯：姜 婷)