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1、现代测井系统研究方法及开发技术 3 中国石油大学 北京 测井研究中心鞠晓东2009年3月 测井仪器研究方向硕士研究生课程 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 2 第三章测井数据采集方法和技术 3 1数据采集基本原理3 2模拟信号处理方法3 3高精度数据采集3 4高速数据采集3 5脉冲信号数据采集3 6数据采集接口电路3 7测井深度子系统3 8测井数据传输3 9可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3 10思考题 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 3 3 1数据采集基本原理 数据采集是使计算机能够对模拟信息进行处理的桥梁测井信息类型非常广泛电流 电
2、压 位 磁感应 机械波 核反应 压力 温度 流量 等 通过传感器后一般均变成电信号信号类型 连续变化的模拟量 脉冲形式的模拟量信号 频率范围从10 1 109Hz 幅度范围从10 8 101模拟信号的量化采样定理 shannon定理 和奈氏准则对于带宽不大于fm的模拟信号 可唯一的由时间间隔不大于1 2fm的采样值确定 即Ts 1 2fm 其中fs 2称为奈奎斯特频率 奈氏域 kfs fm CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 4 3 1数据采集基本原理 续 在欠采样fs 2fm时或没有理想低通滤波器时 fs fm部分将进入0 fm信号频带 产生混叠 Alias 或假频 欠
3、采样应用信号带宽和谐波采样条件fs 2B 1 k n 解决方法过采样 fs 3 5 fm 形成所谓的保护带 保护带与动态范围的关系如果信号含有高频噪声 预滤波 抗混叠滤波 举例 XMACII与MPAL抗混叠滤波设计比较 fm 20kHz Ts 8us 4阶LPF 4阶HPF Ts 4us 6阶LPF 2阶HPF CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 5 3 1数据采集基本原理 续 ADC编码 对于分辨率为n位的ADC 量化间隔总数为2n 1LSB和MSB 满量程电压Vfs 输入电压分辨率Vfs 2n表示 二进制 二 十进制单极性 0 2n 1双极性 满量程电压 Vfs 常用
4、的有补码和偏移二进制表示 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 6 3 1数据采集基本原理 续 转换速度和采样保持必须使转换期间Vin的变化小于ADC最小量化电平 V Vfs 2n对于Vin Vfssin t 则 Vmax在t 0时刻 V Tc dV dt t 0 Tc Vfs 有1 2n Tc Tc2 fmax 则fmax 1 2n 1 Tc Hz 为最高转换频率这说明如果不采取措施 ADC的分辨率越高 同样Tc时的fm越低 12位10 s的ADC其fmax不到4Hz 采用S H sample hold 或trace hold 电路或SHA 可在数百ps至数十ns左右完成
5、采样 使fmax大大提高实质上是由S H完成对模拟信号的离散化 再由ADC完成对模拟信号的量化S H 或T H 电路即可在ADC内部 也可外接孔径时间TA和孔径时间不定性 TA孔径时间TA使得实际采集被延迟 孔径延迟 SHA的孔径时间 转换精度和速度对TA的要求孔径时间不定性 TA 转换周期抖动 将对波形数据采集造成转换噪声 在同样SNR时ENOB将随 TA增大按3 3bits dec下降 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 7 3 1数据采集基本原理 续 ADC的误差积分非线性INL 相对精度 FSR微分非线性DNL 无失码分辨率偏移OFFSET 失调设q 1LSB 则
6、量化噪声为锯齿波的有效值 当输入满量程sin信号时 信噪比SNR 6 02n 1 76 dB 对于过采样 设过采样率K fs 2fm 有SNR 6 02n 1 76 10lgK dB 也即采样率每提高一倍 SNR提高3dB 1 2bit CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 8 3 1数据采集基本原理 续 ADC的动态性能指标总谐波失真 单频正弦波输入时的输出失真 THD信噪失真比SINAD S N THD S THD 一般 ADC的有效位数ENOB SINAD 1 76 10lgK 6 02小信号带宽 Vfs 10或 20dB 和全功率带宽 即如果降低有效位数 相对分辨率
7、 则可以获得更好的信号带宽无杂散动态范围SFDR 信号与最大杂散分量之比 dB 有效值 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 9 第三章测井数据采集方法和技术 3 1数据采集基本原理3 2模拟信号处理方法3 3高精度数据采集3 4高速数据采集3 5脉冲信号数据采集3 6数据采集接口电路3 7测井深度子系统3 8测井数据传输3 9可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3 10思考题 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 10 3 2模拟信号处理方法 实际信号 有用 信号 噪声 随机 高频 工频 低频 漂移 测井信号的SNR一般在10 50dB模拟 有源
8、滤波LPF 最为常用 抗噪声滤波 抗混叠滤波 BPF 窄带 选频放大 如LLD 宽带 抗噪声滤波 如XMAC HPF 很少单独使用 超前 相位校正 主要参数 f0 BW Q H0 等主要性能幅频特性 相频特性和时延特性陡降特性 纹波型 契比雪夫I型 最大平滑型 布特沃斯型 等时延型 贝塞尔型 线性相位型 设计 用s s j 模型描述四端网络的转移电压比 网络函数 分子多项式的根为零点 分母多项式的根为极点 LPF只有极点且相位滞后 HPF具有相同的零 极点且相位超前 BPF的极点为零点的2倍 函数的幂次反映了滤波器的衰减特性 1Order 20dB dec CUP Wlrc Juxd 第三章测
9、井数据采集方法和技术 11 3 2模拟信号处理方法 续 用波特图描述幅频特性 相频特性和时延特性 频域 冲击 脉冲 响应 时域 根轨迹图 零 极点 设计方法 等效电路计算 查表 EDA工具 模拟电路仿真BPF举例 f0 100kHz BW 40kHz Q 2 5 H0 1 一阶布特沃斯型 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 12 3 2模拟信号处理方法 续 xPF关键器件 运算放大器的主要指标类型 通用 普通 低漂移 超 高速 如BiFET BiMOS 仪器放大器 隔离放大器 双端 差分 输出 放大器直流参数 输入特性 V I Z 漂移 T t CMRR 功耗输出特性 最
10、大输出 V 轨对轨 输出驱动 交流参数 噪声 小信号 20dB 大信号 SR 全功率带宽 设V V0sin t 有V V0cos t 即V mxa t 0 V0 当V0 10 V 时1MHz的全功率带宽相当于SR达到63V s以上 否则将出现幅度和频率失真特殊类型 跟随器 电流放大器 低功耗 单电源运放 封装 耐温主流生产厂商 ADI TI BB NS MAXIM LT等运算放大器的选择举例PAH峰值保持器选型依据 AD847 AD843 MPAL超声信号输入级选型依据 OP470 OP271 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 13 3 2模拟信号处理方法 续 远距离
11、高共模干扰抑制 信号放大测井中的 远距离 信号 SP 电缆张力 电缆记号采用差分放大器双端传送信号 共模抑制比80 140dB 抗共模电压500 2000V 仪器放大器 IA 隔离放大器原理 isoA 技术指标 仪器放大器 高阻抗差分输入 高CMRR 增益调节 失调和漂移举例 AD625 AD202 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 14 3 2模拟信号处理方法 续 低漂移直流 低频放大 电荷放大 等电位 电阻率测量 过套管电阻率 CHFR V甚至nV级的输入 非线性电路 如乘法器 模拟运算器 积分器电荷放大 包括某些积分器 需要极高的Zi G 级 极小的输入电流 pA
12、级 器件选择超 运放 斩波自稳零运放Vos Vos Ib Ios Ios 低噪声工艺问题金属间接触电位 电化学电位温度 热电偶 电路板设计 材料 漏电器件举例OP27 AD797 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 15 第三章测井数据采集方法和技术 3 1数据采集基本原理3 2模拟信号处理方法3 3高精度数据采集3 4高速数据采集3 5脉冲信号数据采集3 6数据采集接口电路3 7测井深度子系统3 8测井数据传输3 9可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3 10思考题 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 16 3 3高精度数据采集 高精度ADC类
13、型积分型ADC原理 双积分型 四重积分型 克服Vos影响 影响部件 VREF 模拟开关 积分器 过零比较器 等双积分型操作 对零 漂移校正 定时积分 正向 定斜积分 方向 计数定时特点 精度高 可达107 抗 工频 干扰性能好 价格低 缺点是速度很低 实际倒相 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 17 3 3高精度数据采集 续 型ADC 线性脉冲编码调制LPCM 根据SNR 6 02n 1 76 10lgK dB 可知 如果极大的提高过采样率K 同样可以获得很高的转换分辨率 为增量 前一采样与当前采样的差 编码 包络编码 其中 表示求和 表示增量 型ADC以极低的量化率
14、1bitADC 为一个比较器和一个模拟开关组成 和很高的过采样率 百 千倍 和 调制技术如何降低1bitADC极大的量化噪声 可以证明一阶 单元数 ADC的SNR 30lgK 1 dB 即每10倍过采样大约相当于5bit 103倍过采样大约相当于15bit精度 二阶 在26时可达13bit CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 18 3 3高精度数据采集 续 通常采用的数字滤波有两种有限冲击响应滤波器FIR 稳定 抽取 滤波操作可合并 线性相位 需要多级组成 无限冲击响应滤波器IIR 含有反馈 性能 陡降特性 好 抽取 滤波操作不能合并 不稳定 常用 型ADC的性能12 2
15、4位 fm高至数十kHz 采样率高至数十MHz 现代物探地震仪数据采集 低频 大动态范围 采用 型ADC 分辨率18 24位 早期采用复杂的瞬时浮点放大 普通ADC 型ADC举例适用于地球物理勘探仪器的可编程24位 ADC AD7731 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 19 3 3高精度数据采集 续 逐次逼进型 successiveapproximation ADC测井应用最重要的也是最常用和综合性能最好的一类ADC基本原理结构1bitSAR模型 第j位的权重 Vj 2j 2n VREF j 0 n 1逐次逼进型ADC应用很广 n从8 16 Tc从数百ns到上百 s
16、器件的关键是片内高速高精度DAC的性能测井用 高温军品级 ADC及其接口举例AD574TD AD676TD AD7892SQ AD7896SQ AD7899SQ 等 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 20 3 3高精度数据采集 续 数据采集系统模型及性能数据采集系统模型ADC指标分辨率 精度 转换时间 带宽 T H 输入 范围 单 多通道 接口 P S 控制 转换 校准 设置 读取等 供电保证采集精度的措施前级 输入级 的设计质量 输入滤波 信号抗混叠滤波 电源滤波过采样 滤波 抽取 软件数字滤波 加权平均 中值滤波 PWLS2000处理举例 模拟地 数字地分离设计 MUX ADC DAC等模拟数字混合器件 DC DC 光电隔离 StPHA举例 时钟电路板设计工艺 EDA的信号完整性分析 CUP Wlrc Juxd 第三章测井数据采集方法和技术 21 第三章测井数据采集方法和技术 3 1数据采集基本原理3 2模拟信号处理方法3 3高精度数据采集3 4高速数据采集3 5脉冲信号数据采集3 6数据采集接口电路3 7测井深度子系统3 8测井数据传输3 9可编程ASIC
