雙側(cè)向測井儀中信號(hào)調(diào)制放大器設(shè)計(jì)

　　雙側(cè)向測井中，首先由深、淺屏流源電路提供并通過屏流電極向地層發(fā)射32Hz和128Hz的屏蔽電流。流入地層的屏流在監(jiān)督電極1M和1'M，2M和2'M之間產(chǎn)生電位差。顯然該電位差包含了深淺側(cè)向的電流頻率。它由平衡放大混合電路放大，用以控制主電流發(fā)生器產(chǎn)生包含上述兩種頻率的主電流。所以主電流始終跟蹤屏流的極性和相位變化。正因如此，主電流的產(chǎn)生使監(jiān)督電極之間的電位差趨于零，相應(yīng)聚焦了主電流，如圖1所示。

深側(cè)向屏流源電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控頻率為32Hz的電流源。其控制信號(hào)是DU2，它來自于深側(cè)向電壓檢測電壓檢測器，和深側(cè)向測量電壓成正比。深側(cè)向屏流源的輸出電流加在電極1A('1A)上，其屏流從1A( '1A)流出返回到地面電極B。深側(cè)向屏流源電路由信號(hào)調(diào)制放大器(包括差動(dòng)放大器、調(diào)制放大器、深帶通濾波器)和功率放大器組成。

　　差動(dòng)放大器的主要作用是用深側(cè)向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的U2D控制深屏流的幅度。深屏流源電路輸出深屏流的幅度正比于(U2-2U2D)，U2是參考信號(hào)。當(dāng)?shù)貙与娮杪试黾訒r(shí)，如果沒有U2D 控制，深側(cè)向屏流將減少的很少。因?yàn)樯顐?cè)向主電流和屏流 具有跟隨作用，所以下降也少，相應(yīng)地，深側(cè)向電壓UD上升得較多。又因U2D正比于UD，所以U2D跟隨UD上升。當(dāng)有U2D控制時(shí)，U2D上升會(huì)使適當(dāng)下降得多一些UD上升得少一些。從而使深側(cè)向測量電壓和電流的變化范圍都比較適中，這樣有利于擴(kuò)大深側(cè)向測量視電阻率的動(dòng)態(tài)范圍。

　　調(diào)制放大器把與(U2-2U2D)成正比的緩變直流轉(zhuǎn)換成32Hz的交流，然后通過帶通濾波成幅度正比于(U2-2U2D)、頻率32Hz的正弦波，最后經(jīng)過功率放大后加到屏蔽電極A1或A2上。

　　淺屏流源電路的組成和深屏流源電路相似，也是由信號(hào)調(diào)制放大器(包括差動(dòng)放大器、調(diào)制放大器、淺帶通濾波器)和功率放大器組成的。差動(dòng)放大器的作用是用U2D控制淺屏流源源電壓的幅度變化，進(jìn)而使淺側(cè)向測量電壓US和測量電流IS的變化范圍都比較適中，以擴(kuò)大淺側(cè)向測量地層電阻率的動(dòng)態(tài)范圍。

　　由此可看出， 在側(cè)向測井中，屏蔽電流應(yīng)與主電流同相位，而屏蔽電流的大小，則由監(jiān)督電極之間的電位差來自動(dòng)控制。相敏檢波器輸出的信號(hào)屬于緩變信號(hào)，為了控制屏流，就需要把它變成與主電流頻率相同的正弦波信號(hào)。采用信號(hào)調(diào)制放大器就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

　　差動(dòng)式放大器的原理及仿真

　　本研究以淺屏流源電路為例，設(shè)計(jì)一種斬波式調(diào)制放大器，它由方波信號(hào)產(chǎn)生電路、差動(dòng)式放大器、調(diào)制放大器和多路負(fù)反饋帶通有源濾波器組成，克服了這些缺點(diǎn)，控制比較簡單，輸出穩(wěn)定而又準(zhǔn)確，可以有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制放大。

　　信號(hào)調(diào)制放大器電路分為四大模塊：差動(dòng)式放大器，調(diào)制放大器，方波產(chǎn)生及反相電路，多路負(fù)反饋有源帶通濾波器。其中差動(dòng)式放大器為信號(hào)預(yù)處理電路，方波產(chǎn)生及反相電路是調(diào)制放大器的控制信號(hào)產(chǎn)生電路，調(diào)制放大器輸出調(diào)制后的方波信號(hào)，經(jīng)多路負(fù)反饋有源帶通濾波器后，得到幅度跟隨初始輸入信號(hào)的正弦波。所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)制放大器各個(gè)部分的關(guān)系如圖2 所示。

斬波式調(diào)制放大器是整個(gè)信號(hào)調(diào)制放大器的主體部分，它由第一級(jí)前置差動(dòng)放大器和第二級(jí)斬波式調(diào)制器組成。

　　前置差動(dòng)放大器設(shè)計(jì)

　　第一級(jí)前置差動(dòng)放大器的主要作用是用淺側(cè)向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的 控制淺屏流的幅度變化，進(jìn)而使淺側(cè)向測量電壓和測量電流 的變化范圍都比較適中，以擴(kuò)大淺側(cè)向測量地層電阻率的動(dòng)態(tài)范圍。

　　第一級(jí)前置差動(dòng)放大器由運(yùn)算放大器U1構(gòu)成。U1的同相端輸入信號(hào)為U2D，反相端輸入為U1，U1是+15V直流電源經(jīng)R1和電位器R2所組成的分壓器分壓后得到的，其大小可在0~ 10V內(nèi)調(diào)節(jié)。U1的增益為

將所設(shè)計(jì)的各元件值代入上式可得KP=-1，故U1的輸出為



　　斬波式調(diào)制器設(shè)計(jì)過程及仿真分析結(jié)果

　　圖3為斬波式調(diào)制放大器原理電路圖，它由差動(dòng)式放大器和斬波式調(diào)制器構(gòu)成。其中U2D為淺側(cè)向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的緩變信號(hào)，Q和-Q分別為555方波發(fā)生器產(chǎn)生的方波和經(jīng)過4049反相器反相后的方波，它們作為AD7510DI的控制信號(hào)。

其中AD7510DI具有以下功能：當(dāng)5、6端為高電平，3、4端為低電平時(shí)，它的10、12端跟9、11、13、15端接通，而14、16端懸空;當(dāng)5、6端為低電平，3、4端為高電平時(shí)，它的14、16端跟9、11、13、15端接通，而10、12端懸空。

　　緩變信號(hào)U2D經(jīng)差動(dòng)放大器U1放大后，Ua加到調(diào)制放大器的輸入端。當(dāng)Q驅(qū)動(dòng)的開關(guān)接通，-Q驅(qū)動(dòng)的開關(guān)斷開時(shí)，a點(diǎn)接地，輸入信號(hào)Ua由U2反相端輸入，其放大倍數(shù)為1，輸出為-Ua。當(dāng)Q驅(qū)動(dòng)的開關(guān)斷開，而-Q驅(qū)動(dòng)的開關(guān)接通時(shí)，b點(diǎn)接地，輸入信號(hào)Ua的1/3由U2同相端輸入，放大3倍，輸出為Ua。因此，斬波式調(diào)制器輸出的方波高低電平分別為Ua、-Ua(差動(dòng)放大器輸出電壓)，頻率為128Hz(控制信號(hào)的頻率)。(圖4)

　　斬波器輸出的信號(hào)經(jīng)帶通濾波后變成正弦波，然后再經(jīng)功率放大加至屏蔽電極A1、A2，產(chǎn)生淺屏蔽電流。

　　多路負(fù)反饋有源帶通濾波器設(shè)計(jì)及仿真

　　在側(cè)向測井中，使用的頻率不高，在需要的地方，如果采用無源濾波器，則用較大的電感和電容。為了減小無源濾波器的耗損，提高濾波性能，必須減小電感的直流電阻，并保證電容器的耗損，提高濾波性能，必須減小電感的直流電阻，并保證電容器的損耗不大。這樣的濾波器，體積大，價(jià)格高，不便使用。在低頻頻段，采用RC有源濾波器，完全可以避免使用大電感元件。由于無源元件所損失的能量，可以從有源單元中得到補(bǔ)充，因此，采用小型電阻和電容，配上運(yùn)算放大器，就可以構(gòu)成性能良好的有源濾波電路。

　　具有帶通濾波功能的有源網(wǎng)絡(luò)較多，像單T、雙T帶通有源濾波器，多路負(fù)反饋帶通有源濾波器等等，都可以起帶通濾波作用。前者只有一條反饋路徑，而后者卻有兩條反饋路徑。因此，后者具有某些明顯的優(yōu)點(diǎn)。例如，它使用的元件較少，而特性良好，接近理想的二階帶通濾波器特性。這種濾波器原理如圖5所示。

此電路的主要參數(shù)為：

在設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)給定的002fπω=，品質(zhì)因素α1=Q和通頻增益KP，選擇電容量為某一標(biāo)準(zhǔn)值C，使C1=C2=C，計(jì)算出所用電阻的數(shù)值。

在本次設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)制放大電路中，對(duì)該濾波器的要求為：中心頻率 為128Hz，通頻帶寬f為12.8Hz，通頻增益KP為1。

　　由設(shè)計(jì)要求可計(jì)算出：品質(zhì)因數(shù)Q=10，中心角頻率=256 ，選擇 =，均為220nf，可得出： R1=56.2k，R2=200，R3=113k。

　　調(diào)制信號(hào)經(jīng)該濾波器后輸出的波形如圖 6可看出，輸出的正弦波線性失真很小，該信號(hào)經(jīng)功率放大加至屏蔽電極A1、A2，產(chǎn)生淺屏蔽電流，然后通過變壓器加在屏蔽電極A1和A2上，如此連接使A1和A2成了屏流和主電流的回流電極，使主電流和屏流極性完全相同。

　　信號(hào)調(diào)制放大器電路整體設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將以上所設(shè)計(jì)的各部分電路按照原理框圖連接起來，就組成了整體信號(hào)調(diào)制放大器電路。整體電路圖見圖7所示。在整體電路中，各部分電路(555多諧振蕩器及反相電路、斬波式調(diào)制器、多路負(fù)反饋有源帶通濾波器)輸出波形均能設(shè)計(jì)滿足要求，仿真結(jié)果和以上設(shè)計(jì)各部分電路時(shí)很相似。該信號(hào)調(diào)制放大器能很好地實(shí)現(xiàn)在淺屏流電路中使主電極和屏流電極同極性的功能，滿足了設(shè)計(jì)要求。

在面包板上連接好整體電路，接好電源，用示波器觀察斬波式調(diào)制放大器波形如圖8所示。經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)分析改進(jìn)后，面包板上連接好的整體電路各個(gè)部分輸出波形都達(dá)到或很接近該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了對(duì)相敏檢波和差動(dòng)信號(hào)輸出的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦交流信號(hào)的目的。