專利名稱：：一種偶極子聲波小信號(hào)處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及測(cè)井小信號(hào)處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體來(lái)講，涉及一種適合在井下高溫惡劣環(huán)境中工作的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置。
背景技術(shù)：
：1967年White最早提出偶極子聲源能產(chǎn)生橫波信號(hào)，并與1971年提出可以利用偶極子聲源振動(dòng)能直接激發(fā)彎曲波的道理實(shí)現(xiàn)橫波速度測(cè)量的思想和建議。根據(jù)這一思想研制的交叉偶極陣列聲波測(cè)井儀使得地層的固有各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性檢測(cè)成為可能，尤其是利用該類測(cè)井儀測(cè)量資料解決目前油田急需解決的套損預(yù)測(cè)問(wèn)題成為新的研究熱點(diǎn)。由于現(xiàn)代石油開(kāi)采中廣泛使用的熱力學(xué)方法以及地?zé)峥辈斓男枰缶碌厍蛭锢韮x器能夠在高溫帶來(lái)的高噪聲環(huán)境下始終保證測(cè)量精度。在交叉偶極陣列聲波測(cè)井儀中，偶極子聲波小信號(hào)處理裝置用于為A/D采樣電路提供優(yōu)質(zhì)的模擬信號(hào)，該部分電路的性能指標(biāo)在很大程度上決定了整個(gè)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的測(cè)量精度和信號(hào)處理范圍。為了提高測(cè)井儀器測(cè)量精度，必須提高偶極子聲波小信號(hào)處理裝置的噪聲抑制能力并降低自身的噪聲水平。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用保溫瓶來(lái)保證偶極子聲波小信號(hào)處理裝置在高溫高噪聲環(huán)境中抑制噪聲并減低自身的噪聲，以保證測(cè)量精度，并穩(wěn)定工作。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種噪聲抑制能力強(qiáng)，且自身噪聲水平低的適用于井下高溫惡劣環(huán)境中工作的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于包括—邏輯控制模塊；—前置接收模塊，用于接收前端井下聲波換能器產(chǎn)生的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并進(jìn)行阻抗匹配，將高輸出阻抗的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)變成低輸出阻抗一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并輸出；—X/Y方向選擇模塊，用于接收前置接收模塊輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，在邏輯控制模塊的控制下，選擇X方向或Y方向的一對(duì)聲波信號(hào)輸出；—差分放大模塊，用于接收X/Y方向選擇模塊選出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)或Y方向聲波信號(hào)進(jìn)行高CMRR的差分定值放大，并輸出偶極差分放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙端轉(zhuǎn)單端的功能，并抑制共模噪聲；—有源低通濾波器，用于接收差分放大模塊輸出的偶極差分放大信號(hào)，進(jìn)行兩階有源低通濾波，初步去除高頻噪聲，從而形成一路偶極波信號(hào)；—反向加法器，用于接收前置接收模塊輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并進(jìn)行反向相加，從而形成一路單極波信號(hào)；4—單/偶極模式選擇模塊，用于接收低通濾波器輸出的偶極波信號(hào)和反向加法器輸出的單極波信號(hào)，在邏輯控制模塊的控制下，選擇偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)輸出；—衰減網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控放大器，用于在邏輯控制模塊控制下，將單/偶極模式選擇模塊的偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)，進(jìn)行衰減后放大，程控調(diào)節(jié)偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)的增—有源帶通濾波器，用于接收衰減網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控放大器輸出的程控增益調(diào)節(jié)后的偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)，進(jìn)一步濾除高頻噪聲；—相位調(diào)節(jié)器，用于在邏輯控制模塊的控制下，微調(diào)有源帶通濾波器輸出偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)波形初相位，使其與其他通道的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置輸出的偶極子信號(hào)或單極子信號(hào)的相位關(guān)系，同輸入時(shí)的聲波信號(hào)與其他通道輸入聲波信號(hào)的相位關(guān)系保持一致。本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的針對(duì)交叉偶極陣列聲波測(cè)井儀中，前端井下聲波換能器產(chǎn)生的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)的噪聲采取減噪措施，采用差分放大、有源低通濾波以及有源帶通濾波電路的設(shè)計(jì)，以提高電路的噪聲抑制能力，并降低自身的噪聲水平，以盡量抑制電路內(nèi)部的互擾和外來(lái)的干擾，使該偶極子聲波小信號(hào)處理裝置能在井下高溫惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。圖1是本發(fā)明偶極子聲波小信號(hào)處理裝置的一種具體實(shí)施方式原理框圖；圖2是圖1所示前置接收模塊的一種具體實(shí)施方式電原理圖；圖3是圖1所示差分放大模塊的一種具體實(shí)施方式電原理圖；圖4是圖1所示有源低通濾波器的一種具體實(shí)施方式電原理圖；圖5是圖1所示反向加法器的一種具體實(shí)施方式電原理圖；圖6是圖1所示衰減網(wǎng)路的一種具體實(shí)施方式電原理圖；圖7是圖1所示有源低通濾波器的一種具體實(shí)施方式電原理圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，為了方便描述和說(shuō)明，各模塊的具體實(shí)施電路中的具體器件的標(biāo)記有相同的，但他們位于不同的模塊中，為不同的元器件。另外，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這兒將被忽略。實(shí)施例圖1是本發(fā)明偶極子聲波小信號(hào)處理裝置的一種具體實(shí)施方式原理框圖。如圖1所示，偶極子聲波小信號(hào)處理裝置包括邏輯控制模塊1、前置接收模塊2、X/Y方向選擇模塊3、差分放大模塊4、有源低通濾波器5、反向加法器6、單/偶極模式選擇模塊7、衰減網(wǎng)絡(luò)8、數(shù)控放大器9、有源帶通濾波器10以及相位調(diào)節(jié)器ll。其中，X/Y方向選擇模塊3、差分放大模塊4、有源低通濾波器5組成偶極波模塊，反向加法器6構(gòu)成單極波模塊。1、前置接收模塊如圖1所示，前端井下聲波換能器12產(chǎn)生的一對(duì)X方向聲波信號(hào)PX1、PX2和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)P『PY2輸出到前置接收模塊2，并進(jìn)行阻抗匹配，將高輸出阻抗的一對(duì)X方向聲波信號(hào)PX1、PX2和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)PY1、PY2變成低輸出阻抗一對(duì)X方向聲波信號(hào)RX1、RX2和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)RY1、RY2，并輸出。在本實(shí)施例中，前置接收模塊2包括四路相同的同相放大器APpAP2、AP3、AP4，分別對(duì)X方向聲波信號(hào)PX1、PX2和Y方向聲波信號(hào)PY1、PY2進(jìn)行同相放大，將高輸出阻抗聲波信號(hào)PX1、PX2、PY1、PY2變成低輸出阻抗的聲波信號(hào)RX1、RX2、RY1、RY2。如圖2所示，在本實(shí)施例中，前置接收模塊2中的同相放大器AP工(此處只畫出了一路，其它三路相同，省略)由運(yùn)算放大器U『電阻HR3以及電容Q構(gòu)成的。高輸出阻抗的X方向聲波信號(hào)PX1接運(yùn)算放大器U1A的正輸入端，電阻&為匹配電阻，接到運(yùn)算放大器U1A的正輸入端與地之間，電阻R2—端接運(yùn)算放大器U1A的負(fù)輸入端，另一端通過(guò)隔直電容Q與地連接，電阻R3為反饋電阻，接運(yùn)算放大器U1A負(fù)輸入端與輸出端之間。在本實(shí)施例中，匹配電阻&選用的5MQ電阻，與前端井下聲波換能器12進(jìn)行匹配。前端井下聲波換能器12輸出的X方向聲波信號(hào)PX1信號(hào)通過(guò)匹配電阻&進(jìn)入同相放大器APlt)在本實(shí)施中，所有阻容器件為高精度阻容器件，受溫度影響小，且性能穩(wěn)定，不易產(chǎn)生阻值和容量偏移。在本實(shí)施例中，若將電阻&、12、13以及電容Q視為理想元件，可得同相放大器AP工的輸入和輸出間的傳遞函數(shù)l,卜1+W式(1)、(2)中，Vi、V。為同相放大器AP工的輸入輸出電壓值，(1)(2)為輸入信號(hào)的角頻在本實(shí)施例中，令Q=C、R2=R3=R，式(2)可等效轉(zhuǎn)換為_(kāi)=卜(oC及)2+1(3)—C及)+1改變R的值，將同相放大器AP工通頻帶內(nèi)信號(hào)增益固定為2倍。在本實(shí)施例中，前置接收模塊2不僅能起到使單極波模塊、偶極波模塊和前端的接收換能器隔離的作用，同時(shí)還有信號(hào)放大作用。運(yùn)算放大器的帶寬有限，選用的0PA2725AID增益帶寬積為20MHz，那么，增益越大，整個(gè)接收電路的帶寬越小。設(shè)計(jì)中采用的增益為2，那么通頻帶大約為10MHz，這樣也可以起到排除一些高頻噪聲的影響。2、偶極波模塊如圖1所示，偶極波模塊包括X/Y方向選擇模塊3、差分放大模塊4、有源低通濾波器5。2.1、X/Y方向選擇模塊6如圖l所示，X/Y方向選擇模塊3接收前置接收模塊2輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)RX1、RX2和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)RY1、&2，在邏輯控制模塊1的控制下，選擇X方向一對(duì)聲波信號(hào)RX1、RX2或Y方向的一對(duì)聲波信號(hào)RY1、RY2輸出。在本實(shí)施例中，X/Y方向選擇模塊3采用集成了兩組二選一模擬開(kāi)關(guān)的多路選擇器ADG659YRU構(gòu)成。選擇器的一組模擬開(kāi)關(guān)接聲波信號(hào)RX1、RY1，另一組模擬開(kāi)關(guān)接聲波信號(hào)&2、1^2，選擇器通過(guò)邏輯控制模塊1的兩根控制線同時(shí)控制兩組模擬開(kāi)關(guān)的選通，即第一組模擬選聲波信號(hào)R『第二組選聲波信號(hào)RX2或第一組模擬選聲波信號(hào)!^、第二組選聲波信號(hào)&2，這樣實(shí)現(xiàn)了聲波信號(hào)的X/Y方向選擇。2.2、差分放大模塊差分放大模塊4接收X/Y方向選擇模塊3選出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)RX1、RX2或Y方向聲波信號(hào)RY1、RY2進(jìn)行高CMRR的差分定值放大，并輸出偶極差分放大信號(hào)Dp實(shí)現(xiàn)雙端轉(zhuǎn)單端的功能，并抑制共模噪聲。在本實(shí)施例中，差分放大模塊4的差分放大器U17采用低噪聲軍品器件儀用放大器AD8221ARM，減少信號(hào)調(diào)理過(guò)程中引入的觀測(cè)噪聲，通過(guò)外置增益調(diào)節(jié)電阻設(shè)置固定增益為34倍。在本實(shí)施例中，如圖3所示，差分放大模塊4的差分放大器U17儀用放大器AD8221為8引腳的MSOP類型封裝，引腳4、1分別為差分信號(hào)正負(fù)輸入端，引腳2、3為增益調(diào)節(jié)抽頭，接入合適的外部增益匹配電阻R3可改變儀用放大器AD8221的增益大小，引腳5、8為正負(fù)電源端，引腳6、7分別為地和信號(hào)輸出端。圖中電阻Rp&為信號(hào)輸入端分壓電阻，X/Y方向選擇模塊3選出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)RX1、RX2或Y方向聲波信號(hào)RY1、RY2分別通過(guò)電阻Ri、R2接到儀用放大器AD8221的正負(fù)輸入端，儀用放大器AD8221的正負(fù)輸入端分別接有到地的電容Q、C2，電容Q、C2與電阻&、R2分別構(gòu)成一階RC濾波器，可以濾除部分高頻噪聲。若將圖3中的各個(gè)元器件視為理想元件，并運(yùn)用理想運(yùn)算放大器的虛短路和虛斷路特性，可得輸入Vi+、V卜和輸出V。之間的關(guān)系式f、r。=1+2("-)(1)其中電阻Re為儀用放大器內(nèi)部增益調(diào)節(jié)電阻，由器件手冊(cè)提供參數(shù)，電阻R3為外部增益匹配電阻，儀用放大器放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)是固定電阻Re，改變電阻R3的值。要特別說(shuō)明的是，井下聲系中的發(fā)射換能器是一系列性能相近的壓電陶瓷傳感器按一定方位角排列而成的，需要由儀器下方發(fā)射短節(jié)中的發(fā)射電路產(chǎn)生4000V高壓脈沖來(lái)激勵(lì)產(chǎn)生聲波信號(hào)，因而，前端井下聲波換能器12，即接收換能器在接收到微弱的首波信號(hào)之前，總會(huì)感應(yīng)一部分高頻噪聲，并將此噪聲傳送到信號(hào)調(diào)理電路。為了抑制該干擾噪聲，儀放AD8221前端的抗干擾低通濾波器的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。2.3、有源低通濾波器如圖1所示，有源低通濾波器5接收差分放大模塊4輸出的偶極差分放大信號(hào)D15進(jìn)行兩階有源低通濾波，初步去除高頻噪聲，從而形成一路偶極波信號(hào)S1Q在本實(shí)施例中，如圖4所示，有源低通濾波器5為典型二階巴特沃茲結(jié)構(gòu)低通濾波器。偶極差分放大信號(hào)D工接電阻&的一端，電阻&的另一端一方面通過(guò)接電阻R2、電容Q連接到地，另一方面通過(guò)串聯(lián)的電阻R3、電阻R4連接放大器U11A的正端，放大器U11A的正端7通過(guò)電容C3連接到地，放大器U11A為儀用放大器AD8221。電阻R3與電阻R4連接端通過(guò)電阻電容C2連接放大器Um的輸出端，放大器Um的輸出端與其負(fù)端相連接。這是一個(gè)典型的二階巴特沃茲結(jié)構(gòu)低通濾波器，其工作原理屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。在理想狀態(tài)下，有源低通濾波器5可等效為圖4中(b)(c)所示的兩種情況。其中，Vd、V。分別表示輸入信號(hào)中的差模分量和共模分量；Rd為下拉電阻，為儀用放大器的輸入端提供偏流回路；R。N+k、Ce、Cd為濾波器的可調(diào)參數(shù)，用于設(shè)置高端3dB截止頻率。根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，差模和共模等效電路的傳遞函數(shù)可分別表示為"^=好力《)=1~^"=c若fH頻率，那么1(2a)(2b)和fH。分別表示低通濾波器的共模信號(hào)分量和差模信號(hào)分量的3dB高端截止11(3a)(3b)由(3)式可知，阻容值大小共同決定濾波器的3dB帶寬。一般情況下，固定電容值，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)設(shè)置3dB截止頻率。實(shí)際應(yīng)用中，要合理地選擇電容值，以避免電阻值過(guò)大或過(guò)小，表1是本實(shí)施例中低通濾波電路參數(shù)值表。參數(shù)名R。n+k/QCc/nFCd/PF參數(shù)值100KIK47220以上圖4中(b)(c)的等效電路及分析屬于現(xiàn)有技術(shù)，在以上的描述中，主要是在描述二階巴特沃茲結(jié)構(gòu)低通濾波器的電路參數(shù)在本實(shí)施例中的參數(shù)數(shù)值的選擇，以便所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員理解和實(shí)施。3、單極波模塊如圖l所示，單極波模塊由反向加法器6構(gòu)成。反向加法器6接收前置接收模塊輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)RX1、RX2和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)RY1、RY2，并進(jìn)行反向相加，從而形成一路單極波信號(hào)S2。在本實(shí)施例中，如圖5所示，反向加法器6對(duì)前置接收模塊2輸出的四路信號(hào)，即X方向聲波信號(hào)RX1、RX2、Y方向聲波信號(hào)RY1、RY2相加，并在輸入端采用一階RC低通濾波，輸出單極波信號(hào)S2。如圖5所示，R4、R5、R6、R7為四路信號(hào)RX1、RX2、RY1、RY2對(duì)應(yīng)各路的疊加電阻，R8為負(fù)反饋電阻，R9為正端匹配電阻，R9=R4〃R5〃R6〃R7〃R8，C2為運(yùn)算放大器負(fù)端輸入端濾波電容，對(duì)于阻容值的確定，在本實(shí)施例中，采用試驗(yàn)逼近的方法尋找適合的匹配，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放大器負(fù)反饋電阻R8及加法器疊加電阻R4、Rs、R6、R7選取100200Q時(shí)對(duì)來(lái)自井下?lián)Q8能器發(fā)射電路的充電噪聲抑制效果明顯。4、單/偶極模式選擇模塊如圖1所示，單/偶極模式選擇模塊7接收低通濾波器5輸出的偶極波信號(hào)S工和反向加法器6輸出的單極波信號(hào)S^在邏輯控制模塊1的控制下，選擇偶極波信號(hào)S工或單極波信號(hào)^輸出。在本實(shí)施例中，單/偶極模式選擇模塊7采用二選一模擬開(kāi)關(guān)ADG659YRU，其一個(gè)輸入端接偶極波信號(hào)S"另一個(gè)輸入端接單極波信號(hào)S2，該模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)邏輯控制模塊1的兩根控制線控制信號(hào)的選通，即選擇偶極波信號(hào)S工或選擇單極波信號(hào)S2輸出。5、衰減網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控放大器如圖1所示，衰減網(wǎng)絡(luò)8和數(shù)控放大器9組成增益控制電路，在邏輯控制模塊1控制下，將單/偶極模式選擇模塊的偶極子信號(hào)S工或單極子信號(hào)S2，進(jìn)行衰減后放大，程控調(diào)節(jié)偶極子信號(hào)或單極子信號(hào)的增益。衰減網(wǎng)絡(luò)8配合數(shù)控放大器9實(shí)現(xiàn)信號(hào)-21dB72dB的增益控制范圍。衰減網(wǎng)絡(luò)8采用八個(gè)串聯(lián)的高精度電阻配合八選一模擬開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)按3dB分壓的_21dB0dB增益衰減范圍。數(shù)控放大器9由凌特公司生產(chǎn)的數(shù)控增益放大器LTC6911HMS-2構(gòu)成，其包括有兩個(gè)放大器，每個(gè)放大器由三位數(shù)控端控制，可實(shí)現(xiàn)按6dB步進(jìn)的072dB的增益放大范圍。在本實(shí)施例中，如圖6所示，衰減網(wǎng)絡(luò)8包括串連的8個(gè)高精度電阻構(gòu)成的電阻排U23以及八選一模擬開(kāi)關(guān)^組成。電阻排U^串連的8個(gè)高精度電阻，依次抽頭將信號(hào)輸送到八選一模擬開(kāi)關(guān)仏中，八選一模擬開(kāi)關(guān)仏為16引腳TSS0P封裝，其中引腳1、2、4、5、12、13、14、15是信號(hào)輸入端，引腳9、10、11為控制信號(hào)端，接來(lái)自邏輯控制模塊1的控制信號(hào)AQpAQ2、AQ3，使其選擇八路輸入端SpSySySpSpSpSrSs的那一路作為輸入。在電阻排U23串聯(lián)的電阻連接處抽頭，即在其16、15、14、13、12、11、10、9腳處引導(dǎo)信號(hào)進(jìn)入八選一模擬開(kāi)關(guān)^的信號(hào)輸入端S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8最多可實(shí)現(xiàn)8級(jí)增益控制，當(dāng)步進(jìn)設(shè)置為3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的衰減為0dB、3dB、6dB、9dB、12dB、15dB、18dB、21dB，這樣，八選一模擬開(kāi)關(guān)Ui的配合下，可以對(duì)輸入的偶極波信號(hào)S工或單極波信號(hào)S2進(jìn)行-21dBOdB的增益控制。實(shí)際應(yīng)用中的電阻排U23往往采用分立電阻元件來(lái)搭建，根據(jù)對(duì)增益控制精度的要求，選擇不同材質(zhì)、不同性能指標(biāo)的電阻元件。若是要搭建高精度的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，理論計(jì)算得到的阻值可能需要幾個(gè)高精度的電阻拼湊而成，已知信號(hào)調(diào)理電路工作在高溫環(huán)境下，為了確?？煽康脑鲆婢?，理想的分立電阻應(yīng)具有一致的溫度特性，這幾乎不可能。在增益精度要求比較高的場(chǎng)合，可專門定制符合標(biāo)準(zhǔn)封裝的、單片集成的、溫度特性和電阻精度符合要求的電阻排，這種方法只有在研制高端精密儀器時(shí)才有可能采用。6、有源帶通濾波器如圖1所示，有源帶通濾波器10接收衰減網(wǎng)絡(luò)8和數(shù)控放大器9輸出的程控增益調(diào)節(jié)后的偶極波信號(hào)&或單極波信號(hào)S^進(jìn)一步濾除高頻噪聲。在本實(shí)施例中，有源帶通濾波器10是由低噪聲的運(yùn)放、模擬開(kāi)關(guān)和一些容阻器件搭建而成的，可有效濾除隨機(jī)高頻噪聲。有源帶通濾波器IO電路性能的好壞極大地反映了整個(gè)信號(hào)處理電路的通道一致性性能。若通道間波形在幅度和相位上有較大的差異，將很大程度上降低時(shí)差和首波到時(shí)等測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。9在有源帶通濾波波器10電路的器件篩選中，除了考慮一般的功能性指標(biāo)外，著重衡量器件的耐高溫、低噪聲、低溫漂、高精度等的特性。在本實(shí)施例中，采用四階巴特沃茲結(jié)構(gòu)帶通濾波器，并針對(duì)聲波測(cè)井特點(diǎn)設(shè)置帶寬為500Hz23KHz。如圖7所示，圖7(a)為二階高通濾波器，圖7(b)為二階低通濾波器，圖7(c)為整個(gè)有源帶通濾波模器的連接示意圖，即兩個(gè)高通和兩個(gè)低通串聯(lián)而成。圖7(a)所示的二階高通濾波器，圖7(b)所示的二階低通濾波器的連接關(guān)系、工作原理為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。若將圖7(a)、7(b)中的運(yùn)放和容阻器件視為理想元件，則可得單級(jí)結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)式(4)和式(5)，分別對(duì)應(yīng)二階高通濾波器和二階低通濾波器A(對(duì)Wc^《-《一yoc(2/^-m)(4)(5)a-WC2/^+_/fflC(/^-m)為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取(4)式中的&=R2=RH，C=CH，并令A(yù)H=1+R3/R4，那么3dB截止角頻率"h=1/(RHCH);同理，取(5)式中的&=R2=RL，C=C^，并令A(yù)^=1+R3/R』么，3dB截止角頻率"l=1/(R^)，則式(4)和(5)可分別等效轉(zhuǎn)換為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(7)濾波器3dB截止頻率和"H及通帶內(nèi)的增益值和AH可獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整；為了避免振蕩，理論上4和AH的值必須控制在[1，5]。根據(jù)濾波器的3dB帶寬要求，分別選用0.1%精度和1%精度的耐高溫，低溫漂的電阻和電容，設(shè)置500Hz23KHz帶通濾波器，其參數(shù)值如表2所示，其中HPpH^分別代表第一級(jí)、第二級(jí)高通濾波器，LP^LP2分別代表第一級(jí)低通濾波器、第二級(jí)低通濾波器。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2理論上分析，四階帶通濾波器幅頻特性曲線在高低端方向上最終可實(shí)現(xiàn)-80dB/Dec的衰減特性，且開(kāi)始處的位置取決于濾波器各個(gè)極點(diǎn)的位置，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。7、相位調(diào)節(jié)器如圖1所示，相位調(diào)節(jié)器11用于在邏輯控制模塊1的控制下，微調(diào)有源帶通濾波器輸出偶極波信號(hào)S工或單極波信號(hào)S2波形初相位，使其與其他通道的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置輸出的偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)的相位關(guān)系，同輸入時(shí)的聲波信號(hào)與其他通道輸入聲波信號(hào)的相位關(guān)系保持一致。8、邏輯控制模塊在本實(shí)施例中，邏輯控制模塊1由一些可級(jí)聯(lián)的移位寄存器CD4094、帶施密特觸發(fā)功能的反向器74HC14等搭建而成，可通過(guò)100KHz的SPI總線接口獲得CPU板的控制。在實(shí)際運(yùn)用中，前端井下聲波換能器12可以輸出多組，如8組，每組4路的X/Y方向聲波信號(hào)對(duì)，都可以采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行處理。盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。1權(quán)利要求一種偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于包括一邏輯控制模塊；一前置接收模塊，用于接收前端井下聲波換能器產(chǎn)生的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并進(jìn)行阻抗匹配，將高輸出阻抗的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)變成低輸出阻抗一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并輸出；一X/Y方向選擇模塊，用于接收前置接收模塊輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，在邏輯控制模塊的控制下，選擇X方向或Y方向的一對(duì)聲波信號(hào)輸出；一差分放大模塊，用于接收X/Y方向選擇模塊選出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)或Y方向聲波信號(hào)進(jìn)行高CMRR的差分定值放大，并輸出偶極差分放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙端轉(zhuǎn)單端的功能，并抑制共模噪聲；一有源低通濾波器，用于接收差分放大模塊輸出的偶極差分放大信號(hào)，進(jìn)行兩階有源低通濾波，初步去除高頻噪聲，從而形成一路偶極波信號(hào)；一反向加法器，用于接收前置接收模塊輸出的一對(duì)X方向聲波信號(hào)和一對(duì)Y方向聲波信號(hào)，并進(jìn)行反向相加，從而形成一路單極波信號(hào)；一單/偶極模式選擇模塊，用于接收低通濾波器輸出的偶極波信號(hào)和反向加法器輸出的單極波信號(hào)，在邏輯控制模塊的控制下，選擇偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)輸出；一衰減網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控放大器，用于在邏輯控制模塊控制下，將單/偶極模式選擇模塊的偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)，進(jìn)行衰減后放大，程控調(diào)節(jié)偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)的增益；一有源帶通濾波器，用于接收衰減網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控放大器輸出的程控增益調(diào)節(jié)后的偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)，進(jìn)一步濾除高頻噪聲；一相位調(diào)節(jié)器，用于在邏輯控制模塊的控制下，微調(diào)有源帶通濾波器輸出偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)波形初相位，使其與其他通道的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置輸出的偶極子信號(hào)或單極子信號(hào)的相位關(guān)系，同輸入時(shí)的聲波信號(hào)與其他通道輸入聲波信號(hào)的相位關(guān)系保持一致。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的前置接收模塊包括四路相同的同相放大器分別對(duì)X方向聲波信號(hào)對(duì)和Y方向聲波信號(hào)對(duì)進(jìn)行同相放大，將高輸出阻抗聲波信號(hào)變成低輸出阻抗的聲波信號(hào)；所述的同相放大器由運(yùn)算放大器、匹配電阻、負(fù)端接地電阻、反饋以及隔直電容構(gòu)成；高輸出阻抗的聲波信號(hào)接運(yùn)算放大器的正輸入端，匹配電阻接到運(yùn)算放大器的正輸入端與地之間，負(fù)端接地電阻一端接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端通過(guò)隔直電容與地連接，反饋電阻接運(yùn)算放大器負(fù)輸入端與輸出端之間。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的同相放大器的匹配電阻為5MQ電阻，放大增益為2。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的差分放大模塊中，差分輸入信號(hào)分別電阻&、R2接到正負(fù)輸入端，正負(fù)輸入端分別接有到地的電容Q、C2，電容Q、C2與電阻R2分別構(gòu)成一階RC濾波器用以濾除部分高頻噪聲。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的為典型二階巴特沃茲結(jié)構(gòu)低通濾波器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的反向加法器對(duì)前置接收模塊輸出的四路信號(hào)，即X方向聲波信號(hào)、Y方向聲波信號(hào)相加，并在輸入端采用一階RC低通濾波，輸出單極波信號(hào)；反向加法器包括四路信號(hào)對(duì)應(yīng)各路的疊加電阻、運(yùn)算放大器、負(fù)反饋電阻、正端匹配電阻以及低通濾波電容，疊加電阻一端接一運(yùn)算放大器負(fù)端，另一端分別接各路聲波信號(hào)，負(fù)反饋電阻接到輸出與運(yùn)算放大器負(fù)端之間，正端匹配電阻接到運(yùn)算放大器正端與地之間，正端匹配電阻等于四路信號(hào)對(duì)應(yīng)各路的疊加電阻和負(fù)反饋電阻的并聯(lián)值，運(yùn)算放大器反饋電阻及反向加法器疊加電阻選取100200Q。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的有源帶通濾波器為四階巴特沃茲結(jié)構(gòu)帶通濾波器，帶寬為500Hz23KHz。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種偶極子聲波小信號(hào)處理裝置，前置接收模塊接收前端井下聲波換能器產(chǎn)生的聲波信號(hào)變成低輸出阻抗聲波信號(hào)，選出一個(gè)方向的聲波信號(hào)進(jìn)行差分放大和低通濾波，輸出偶極波信號(hào)；同時(shí)，將四路X/Y方向聲波信號(hào)進(jìn)行反向相加，從而形成一路單極波信號(hào)；在邏輯控制模塊的控制下，選擇偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)輸出，進(jìn)行衰減后放大，程控調(diào)節(jié)偶極波信號(hào)或單極波信號(hào)的增益，并進(jìn)行帶通濾波和相位調(diào)節(jié)。本發(fā)明采用差分放大、有源低通濾波以及有源帶通濾波電路的設(shè)計(jì)，以提高電路的噪聲抑制能力，并降低自身的噪聲水平，以盡量抑制電路內(nèi)部的互擾和外來(lái)的干擾，使該偶極子聲波小信號(hào)處理裝置能在井下高溫惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。文檔編號(hào)E21B47/14GK101694156SQ200910167948公開(kāi)日2010年4月14日申請(qǐng)日期2009年10月20日優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日發(fā)明者師奕兵,張偉,李焱駿,王志剛,錢小明申請(qǐng)人:電子科技大學(xué);