FPGA的泥漿電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

摘要：針對(duì)石油測(cè)井過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取鉆桿周圍地層圖像信息的問(wèn)題，詳細(xì)

介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)瓦編程門陣列(FPGA)的泥漿電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)

程。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括FP統(tǒng)控制器、幅度/相位檢測(cè)器、值

曼調(diào)理電路以及直接數(shù)字頻率合成信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)測(cè)量泥漿電

參數(shù)的思路，通過(guò)測(cè)量盛有泥漿的坯彩容器復(fù)阻抗的方式間接獲取泥漿的電參

數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足了石油測(cè)井過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用需要。

引言

我國(guó)地%遼闊，擁有豐富的自然資源。其中，石油是我國(guó)工^的血液，是支撐我

國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展重要能源，關(guān)系到國(guó)家能源安全、社會(huì)穩(wěn)定［1］。然而在石油開

采過(guò)程中充滿著各種挑戰(zhàn)，為了實(shí)時(shí)掌握鉆頭部位地層圖像信息以及考察泥漿

對(duì)鉆井的影響，通常需要測(cè)量地層電參數(shù)［2］,并且將這些電參數(shù)傳輸回地面控

制臺(tái)，從而實(shí)時(shí)掌握分析地層分布信息。

基于FPGA的泥漿電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)是為了滿足上述工業(yè)需求而設(shè)計(jì)的。為了

獲取精確的泥漿電參數(shù)，將其注入特定的環(huán)行容器內(nèi)，以泥漿作為該容器的電

介質(zhì)，然后測(cè)量該環(huán)形容器在特定激勵(lì)頻率下的復(fù)阻抗值來(lái)推導(dǎo)泥漿的電參

數(shù)。

1測(cè)量方法及原理

1.1測(cè)量方法

泥漿電參數(shù)測(cè)量采用間接測(cè)量方法，即通過(guò)測(cè)量盛有待測(cè)泥漿的特制環(huán)形容器

的復(fù)阻抗來(lái)反推泥漿的電參數(shù)。復(fù)阻抗Zx的測(cè)量是將一個(gè)已知電壓激勵(lì)Vin加

載在被測(cè)阻抗_L,然后測(cè)量流過(guò)被測(cè)阻抗的電流Iz,從而訂算出被測(cè)阻抗

Zx=Vin/Izo測(cè)量原理如圖1所示，①端輸出為V3=-Iz?右，由此可以推巴

Iz=-V3/Rs,其中Rs為采樣電阻。

激勵(lì)源

圖1復(fù)阻抗IV轉(zhuǎn)疾電路圖

1.2原理分析

根據(jù)數(shù)值分析模擬,環(huán)形電容模型可以等效為電阻R和電容C并聯(lián)，如圖2所

Zj\o

圖2環(huán)形電容等效模型示意圖

那么環(huán)形電容的等效阻抗為：

其中：

參數(shù)rl和r2分別代表的是環(huán)形電容內(nèi)外半徑，h表示環(huán)形容器的高度。將

式（1）簡(jiǎn)化，可以求出Zeq的實(shí)部和虛部，如下所示：

將式（2）代入式（3）后，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到介質(zhì)的電阻率P和介電常

數(shù)￡為：

從以上推導(dǎo)可以得知，測(cè)量泥漿的電參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量環(huán)形容器的等效阻

抗間接獲取。

2系統(tǒng)構(gòu)成

基于FPGA的泥漿電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由FPGA核心控制器模塊、幅度/相位檢測(cè)

模塊、直接數(shù)字頻率合成器模塊（簡(jiǎn)稱DDS）、監(jiān)測(cè)模塊、濾波網(wǎng)絡(luò)以及兩部

分信號(hào)調(diào)理模塊組成。由FPGA控制DDS模塊產(chǎn)生兩路相同的正麗高信號(hào)CHO

和CH1,其中CHO經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路1后送給幅度相位檢測(cè)電路的參考通道1,

CH1經(jīng)過(guò)功放后加載在被測(cè)阻抗上，然后經(jīng)過(guò)IV轉(zhuǎn)換電路將流經(jīng)被測(cè)阻抗的電

流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)模擬帶通濾波網(wǎng)絡(luò)后傳輸給幅度/相位檢測(cè)電

路的2通道。

幅度/相位檢測(cè)電路將兩個(gè)通道的信號(hào)作對(duì)數(shù)差值，分別輸出兩通道信號(hào)的

幅度比和相位差給FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器根據(jù)輸入的幅度比和相位差算出

被測(cè)阻抗的模值|Z和相角0。微控制器用于控制電壓、溫度和電流監(jiān)測(cè)電

路，將采集后的監(jiān)測(cè)信息送給FPGA捽制器，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3基于FPGA的泥漿電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖

2.1核心控制器FPGA

文中采用Xilinx公司SPARTAN3E系列XA3S250E作為核心控制器，它采用了成

熟的90nm制造技術(shù)，每個(gè)I/O的傳輸速率高達(dá)622Mb/s,單片擁有25萬(wàn)邏

輯門資源，同時(shí)具有成本低、性能高的特點(diǎn)［3］。

2.2DDS模塊

直接數(shù)字頻率合成器(DDS)模塊采用ADI公司的專用或模塊AD9958,它具有2

個(gè)同步通道，且每個(gè)通道之間可以獨(dú)立控制輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度，頻

率分辨率達(dá)到0.12Hz；內(nèi)部集成有2個(gè)10位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),能將DDS

核生成的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；采用串行"0接口(SPD與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)

傳輸，最大傳輸速率高達(dá)800Mbps,其內(nèi)部功能框圖如圖4所示。

SYSTEMCLOCKSOURCE

圖4AD9958功能框圖

2.3幅度/相位檢測(cè)電路

幅度/相位檢測(cè)電路采用ADI公司的RF/IF增益/相位檢測(cè)芯片AD8302,其輸入

信號(hào)頻率高達(dá)2.7GHz,內(nèi)部有兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器和相位檢測(cè)器；其增益測(cè)量范

圍為-30、+30dB,精度達(dá)到30mV/dB,典型的非線性失真＜1°；工作模式有5

種，分別為幅度掃描模式、頻率掃描模式、調(diào)制模式、相位掃描模式和單頻調(diào)

制模式，本文中采用單頻調(diào)制模式，其電路連接如圖5所示。

C7

VPAD8302

COMMMFIT

Cl7TLC2

V

INAHFINPAVMAG

0OFSAMSETi

0VPOSVREFn]

C6

rHI0OFSBPSET叼

INPBVPHSoVS

A0p1i

一7COMMPFLT

C3IHL

圖5AD8302在單頻調(diào)制模式下的連接電路

AD8302的工（息息理是將輸入的兩個(gè)信號(hào)VINA和VTNB做對(duì)數(shù)運(yùn)算，其中

VINB作為參考信號(hào)，VINA作為變量信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的增益輸出為VMAG,相位輸

出為VPHS,輸入與輸巴的表達(dá)式如下所示：

VMAG和VPHS經(jīng)過(guò)ADC后送給FPGA處理，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入電壓的大小轉(zhuǎn)換成

對(duì)應(yīng)幅度和相位，如圖6和圖7所示。

圖6幅度與度與關(guān)系曲線

圖7相位與VPHS關(guān)系曲線

2.4信號(hào)調(diào)理電路

為了實(shí)現(xiàn)幅度/相位檢測(cè)電路測(cè)量最大動(dòng)態(tài)范圍，需要INPB端口的參考信號(hào)設(shè)

置在合理范圍。本文中將DDS通道0產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳輸給

AD8302o信號(hào)調(diào)理電路由4階低通謔遺盜和反相衰減器組成，如圖8所示，通

過(guò)衰減器參數(shù)調(diào)整使得幅度/相位測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍最大。

圖8信號(hào)調(diào)理電路

2.5功率放大電路

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)幅度為1.8V時(shí)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍覆蓋泥漿變化范圍，所需電流至

少為200mA,而DDS芯片輸出最大電流為10mA,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要，故而這

里加入功率放大電路提高信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)能力。功放電路采用了集成高速功率緩

沖器BUF634,其最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)250mA,輸入信號(hào)帶寬最大可達(dá)180MHz,

且內(nèi)部具有過(guò)熱保護(hù)功能，完全滿足設(shè)計(jì)需要。

2.6IV轉(zhuǎn)換電路

IV轉(zhuǎn)換電路是將流過(guò)被測(cè)阻抗的電流轉(zhuǎn)換為電壓，取樣精度直接影響至“測(cè)景精

度［4］。本文選用ADI公司高血度、低噪聲、低偏置電流、25MHz寬頻帶運(yùn)算

放大器AD8620作為IV轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)放芯片，這里主要考慮AD8620偏置電流

IB和失調(diào)電流皿對(duì)取樣精度的影響［5］。查閱據(jù)手冊(cè)，在±5V供電的情況

下，AD8620的偏置電流典型值為IB=2pA,失調(diào)電流I0S=lpA,那么在零輸入

的情況下，偏置電