双侧向测井仪中信号调制放大器设计

　　双侧向测井中，首先由深、浅屏流源电路提供并通过屏流电极向地层发射32Hz和128Hz的屏蔽电流。流入地层的屏流在监督电极1M和1'M，2M和2'M之间产生电位差。显然该电位差包含了深浅侧向的电流频率。它由平衡放大混合电路放大，用以控制主电流发生器产生包含上述两种频率的主电流。所以主电流始终跟踪屏流的极性和相位变化。正因如此，主电流的产生使监督电极之间的电位差趋于零，相应聚焦了主电流，如图1所示。

深侧向屏流源电路实质上是一个受控频率为32Hz的电流源。其控制信号是DU2，它来自于深侧向电压检测电压检测器，和深侧向测量电压成正比。深侧向屏流源的输出电流加在电极1A('1A)上，其屏流从1A( '1A)流出返回到地面电极B。深侧向屏流源电路由信号调制放大器(包括差动放大器、调制放大器、深带通滤波器)和功率放大器组成。

　　差动放大器的主要作用是用深侧向电压测量道附加相敏检波器输出的U2D控制深屏流的幅度。深屏流源电路输出深屏流的幅度正比于(U2-2U2D)，U2是参考信号。当地层电阻率增加时，如果没有U2D 控制，深侧向屏流将减少的很少。因为深侧向主电流和屏流 具有跟随作用，所以下降也少，相应地，深侧向电压UD上升得较多。又因U2D正比于UD，所以U2D跟随UD上升。当有U2D控制时，U2D上升会使适当下降得多一些UD上升得少一些。从而使深侧向测量电压和电流的变化范围都比较适中，这样有利于扩大深侧向测量视电阻率的动态范围。

　　调制放大器把与(U2-2U2D)成正比的缓变直流转换成32Hz的交流，然后通过带通滤波成幅度正比于(U2-2U2D)、频率32Hz的正弦波，最后经过功率放大后加到屏蔽电极A1或A2上。

　　浅屏流源电路的组成和深屏流源电路相似，也是由信号调制放大器(包括差动放大器、调制放大器、浅带通滤波器)和功率放大器组成的。差动放大器的作用是用U2D控制浅屏流源源电压的幅度变化，进而使浅侧向测量电压US和测量电流IS的变化范围都比较适中，以扩大浅侧向测量地层电阻率的动态范围。

　　由此可看出， 在侧向测井中，屏蔽电流应与主电流同相位，而屏蔽电流的大小，则由监督电极之间的电位差来自动控制。相敏检波器输出的信号属于缓变信号，为了控制屏流，就需要把它变成与主电流频率相同的正弦波信号。采用信号调制放大器就可以实现这个功能。

　　差动式放大器的原理及仿真

　　本研究以浅屏流源电路为例，设计一种斩波式调制放大器，它由方波信号产生电路、差动式放大器、调制放大器和多路负反馈带通有源滤波器组成，克服了这些缺点，控制比较简单，输出稳定而又准确，可以有效实现信号的调制放大。

　　信号调制放大器电路分为四大模块：差动式放大器，调制放大器，方波产生及反相电路，多路负反馈有源带通滤波器。其中差动式放大器为信号预处理电路，方波产生及反相电路是调制放大器的控制信号产生电路，调制放大器输出调制后的方波信号，经多路负反馈有源带通滤波器后，得到幅度跟随初始输入信号的正弦波。所设计的信号调制放大器各个部分的关系如图2 所示。

斩波式调制放大器是整个信号调制放大器的主体部分，它由第一级前置差动放大器和第二级斩波式调制器组成。

　　前置差动放大器设计

　　第一级前置差动放大器的主要作用是用浅侧向电压测量道附加相敏检波器输出的 控制浅屏流的幅度变化，进而使浅侧向测量电压和测量电流 的变化范围都比较适中，以扩大浅侧向测量地层电阻率的动态范围。

　　第一级前置差动放大器由运算放大器U1构成。U1的同相端输入信号为U2D，反相端输入为U1，U1是+15V直流电源经R1和电位器R2所组成的分压器分压后得到的，其大小可在0~ 10V内调节。U1的增益为

将所设计的各元件值代入上式可得KP=-1，故U1的输出为



　　斩波式调制器设计过程及仿真分析结果

　　图3为斩波式调制放大器原理电路图，它由差动式放大器和斩波式调制器构成。其中U2D为浅侧向电压测量道附加相敏检波器输出的缓变信号，Q和-Q分别为555方波发生器产生的方波和经过4049反相器反相后的方波，它们作为AD7510DI的控制信号。

其中AD7510DI具有以下功能：当5、6端为高电平，3、4端为低电平时，它的10、12端跟9、11、13、15端接通，而14、16端悬空;当5、6端为低电平，3、4端为高电平时，它的14、16端跟9、11、13、15端接通，而10、12端悬空。

　　缓变信号U2D经差动放大器U1放大后，Ua加到调制放大器的输入端。当Q驱动的开关接通，-Q驱动的开关断开时，a点接地，输入信号Ua由U2反相端输入，其放大倍数为1，输出为-Ua。当Q驱动的开关断开，而-Q驱动的开关接通时，b点接地，输入信号Ua的1/3由U2同相端输入，放大3倍，输出为Ua。因此，斩波式调制器输出的方波高低电平分别为Ua、-Ua(差动放大器输出电压)，频率为128Hz(控制信号的频率)。(图4)

　　斩波器输出的信号经带通滤波后变成正弦波，然后再经功率放大加至屏蔽电极A1、A2，产生浅屏蔽电流。

　　多路负反馈有源带通滤波器设计及仿真

　　在侧向测井中，使用的频率不高，在需要的地方，如果采用无源滤波器，则用较大的电感和电容。为了减小无源滤波器的耗损，提高滤波性能，必须减小电感的直流电阻，并保证电容器的耗损，提高滤波性能，必须减小电感的直流电阻，并保证电容器的损耗不大。这样的滤波器，体积大，价格高，不便使用。在低频频段，采用RC有源滤波器，完全可以避免使用大电感元件。由于无源元件所损失的能量，可以从有源单元中得到补充，因此，采用小型电阻和电容，配上运算放大器，就可以构成性能良好的有源滤波电路。

　　具有带通滤波功能的有源网络较多，像单T、双T带通有源滤波器，多路负反馈带通有源滤波器等等，都可以起带通滤波作用。前者只有一条反馈路径，而后者却有两条反馈路径。因此，后者具有某些明显的优点。例如，它使用的元件较少，而特性良好，接近理想的二阶带通滤波器特性。这种滤波器原理如图5所示。

此电路的主要参数为：

在设计中，一般根据给定的002fπω=，品质因素α1=Q和通频增益KP，选择电容量为某一标准值C，使C1=C2=C，计算出所用电阻的数值。

在本次设计的信号调制放大电路中，对该滤波器的要求为：中心频率 为128Hz，通频带宽f为12.8Hz，通频增益KP为1。

　　由设计要求可计算出：品质因数Q=10，中心角频率=256 ，选择 =，均为220nf，可得出： R1=56.2k，R2=200，R3=113k。

　　调制信号经该滤波器后输出的波形如图 6可看出，输出的正弦波线性失真很小，该信号经功率放大加至屏蔽电极A1、A2，产生浅屏蔽电流，然后通过变压器加在屏蔽电极A1和A2上，如此连接使A1和A2成了屏流和主电流的回流电极，使主电流和屏流极性完全相同。

　　信号调制放大器电路整体设计和实验结果

　　将以上所设计的各部分电路按照原理框图连接起来，就组成了整体信号调制放大器电路。整体电路图见图7所示。在整体电路中，各部分电路(555多谐振荡器及反相电路、斩波式调制器、多路负反馈有源带通滤波器)输出波形均能设计满足要求，仿真结果和以上设计各部分电路时很相似。该信号调制放大器能很好地实现在浅屏流电路中使主电极和屏流电极同极性的功能，满足了设计要求。

在面包板上连接好整体电路，接好电源，用示波器观察斩波式调制放大器波形如图8所示。经过不断的实验分析改进后，面包板上连接好的整体电路各个部分输出波形都达到或很接近该项目的设计要求。实现了对相敏检波和差动信号输出的直流信号转换为正弦交流信号的目的。