CN201297168Y - 一种石油测井领域地面系统自适应信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，包括井下信号接收处理电路、井上发送信号处理电路和控制电路，其中井下信号接收处理电路包括放大电路、三级均衡补偿电路、比较鉴别电路和幅度检测电路，井上发送信号处理电路包括信号处理电路和功率放大电路，其特征是控制电路通过I2C接口控制接受处理电路和发送信号处理电路的特性，控制电路分散在接收信号处理电路和发送信号处理电路的各个部分。本实用新型运用了I2C接口的数字电位器技术，能够存储电位器调整时的参数当再次挂接相同仪器时，不需要再次调整电位器，只需将存储的数据调用即可；并应用均衡补偿技术，适应多种信号处理。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种油田测井技术，特别涉及一种石油测井领域地面系统设备中的信号处理技术。
背景技术
现有地面系统中的自适应接口技术采用旋钮式电位器控制电路增益及信号补偿。由于不具备存储功能，所以每当配接的井下仪器发生变化时都要重新对电位器进行调整来满足电路所需的增益及补偿强度，为工作带来很多的不便。而且现有仪器采用高通滤波和相位调整的方法来实现高频及低频信号的补偿，这种方法不易调节，而且相频特性不好，可适用的信号范围也不够宽。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，能够对井下仪器上传的信号进行放大、滤波、均衡补偿和比较鉴别的处理，并且对向井下发送的命令信号进行整理和放大处理。
实现本实用新型目的的技术方案是：一种石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，包括井下信号接收处理电路、井上发送信号处理电路和控制电路，其中井下信号接收处理电路包括放大电路、三级均衡补偿电路、比较鉴别电路和幅度检测电路，井上发送信号处理电路包括信号处理电路和功率放大电路，其特征是控制电路通过I2C接口控制接受处理电路和发送信号处理电路的特性，控制电路分散在接收信号处理电路和发送信号处理电路的各个部分，其中电压VGain控制接收信号处理电路的增益大小，电压HbCtrl控制均衡补偿电路的补偿频率，数字电位器IC30B控制补偿电路的补偿强度，数字电位器IC30C控制井上发送信号处理电路发送功率的大小。
信号处理部分电路中的模拟开关IC24控制井上发送信号处理电路两种信号类型的选择，当模拟开关IC24的8脚导通时，信号是直接放大；当模拟开关IC24的2脚导通时，信号是经滤波后再放大。
均衡补偿电路是一组合电路，其中由R22、R22a和数字电位器IC30B构成一个可变电阻；C18、C19和模拟乘法器IC9构成一个可变电容，通过HbCtrl端电压改变电容，可适应不同速率和不同码制在不同信道的传输，适应多种信号的处理。
放大电路是一个由运放IC3组成的反相放大电路，其中R4、R5组成反相放大电路的输入电阻，R6、R7、R8和IC2B的光敏电阻部分组成反馈电阻，RW1、RW2、R41、R42、R43、R44、C27及IC14B的光敏电阻、IC13A的运算放大器组成一个可变电阻，使得控制电压VGain与光敏电阻呈线性关系，通过电压VGain改变电阻，进而控制整个电路的增益。
本实用新型运用了I2C接口的数字电位器技术，能够存储电位器调整时的参数当再次挂接相同仪器时，不需要再次调整电位器，只需将存储的数据调用即可；并应用均衡补偿技术，适应多种信号处理。
附图说明
图1是信号处理板原理框图。
图2是接收信号处理电路特性曲线。
图3是信号处理板井下信号接收电路放大部分电原理图。
图4是信号处理板井下信号接收电路比较鉴别部分电原理图。
图5是信号处理板井下信号接收电路均衡补偿部分电原理图。
图6是信号处理板井下信号接收电路幅度检测部分电原理图。
图7是信号处理板井上发送信号电路信号处理部分电原理图。
图8是信号处理板井上发送信号电路功率放大部分电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型主要由三部分组成：井下信号的接收处理(图上部)、井上发送信号处理(图下部)和控制单元(图中部)。
井下信号接收处理电路主要由放大电路、均衡补偿电路(有三级)、比较鉴别电路组成。放大电路是一个主要由运放和光敏电阻型的光耦组成能够控制电路增益的反相放大电路，但由于光耦控制端的电流和电阻的关系非线性非常严重，不易控制。为了易于控制，使控制电压VGain与光敏电阻(增益)成线性关系，加入电压到电阻的转化电路；均衡补偿电路主要由运算放大器和可变电容、可变电阻组成，由反相放大电路演变而来。它可以通过HbCtrl端电压改变电容的容值对高低电频信号进行不同强度的补偿，一般高频补偿大低频补偿小。设计为可变的电阻电容是为了适应不同速率和不同码制在不同信道传输的信号。同样的电路设计成三级是为适应更多的信号；比较鉴别电路是为了将信号恢复为真正的数字电路，主要由迟滞比较器组成，完成信号的正比较、过零比较、负比较，它可以将归零信号转化为不归零信号。
井上发送命令信号的处理：发送信号处理分两种情况：一种是对于发送20.8333Kbps的曼彻斯特码的处理。电路包括模拟开关、发送激励、发送驱动三大块；另一种是对于发送300bps归零串口的处理，电路包括：低通滤波处理、模拟开关、发送激励、发送驱动四块。
控制电路通过I2C接口控制接受和发送电路的特性，控制电路分散在接收信号处理电路和发送信号处理电路的各个部分，其中电压VGain控制接收信号处理电路的增益大小；电压HbCtrl控制均衡补偿电路的补偿频率，数字电位器IC30B控制补偿电路的补偿强度；信号幅度检测电路用于检测处理后的接收信号幅度是否合适(一般为5Vpp)；模拟开关IC24控制井上发送信号处理电路两种信号类型的选择；数字电位器IC30C控制井上发送信号处理电路发送功率的大小。
如图2所示，本实用新型能够实现将井下上传信号中频率小于fmin及大于fmax的信号滤掉，而将我们所需要的频率大于fmin小于fmax的信号进行频率补偿。
井下信号的接收处理过程
井下仪器上传信号(数字型)通过驱动经由电缆、隔离耦合电路传送到地面(信号的传输路径成为信道)。由于电缆有分部电容、分布电感和分布电阻的存在，使得信号各个频率分量的衰减和延时不同，就是说信道不够平坦，引起信号的变形。频率低的信号衰减小、延时短，频率高信号衰减大、延时长。经信道传来的信号不单是幅度的衰减，还有波形的畸变。所以接收电路除要将衰减的信号放大到合适的幅度以外，还需要均衡补偿高频分量的信号。在一定程度上纠正畸变的数据信号。接收电路的特性如图2所示。为实现此功能，接收电路使用了放大电路、均衡补偿电路(3级)。为最终还原成数字信号，接收电路还应用了比较鉴别电路。如图3，放大电路，是一个由运放(IC3)组成的反相放大电路：R4、R5等组成反相放大组态的输入电阻，R6、R7、R8和IC2的光敏电阻部分组成反馈电阻。其中IC2B是一个光敏电阻型的光耦器件。改变光耦控制电流即可改变光敏电阻的阻值，从而控制放大电路的增益。但由于光耦的控制电流和电阻的关系非线性非常严重，不易控制。为使其易于控制，加入了下半部分的电路，使得控制电压VGain与光敏电阻(增益)呈线性关系。虚框内的电路相当于一个可变电阻，通过电压VGain改变电阻，进而控制整个电路的增益；而后将信号送到均衡补偿电路，均衡补偿电路见图5，均衡补偿电路是由反相放大电路演变来的，若去掉R22以下的部分，则电路就是一个交流耦合的反相放大电路。但由于有电阻R22及以下电路存在，使得电路有些复杂。其中R22、R22a和IC30B(数字电位器)构成一个可变电阻：C18、C19和IC9(模拟乘法器)构成一个可变电容，通过HbCtrl端电压改变电容。只所以将电阻电容设计为可变的是为适应不同速率和不同码制在不同信道传输的信号。电路中由电压HbCtrl控制均衡补偿频率，数字电位器IC30控制均衡补偿电路的补偿强度。每片信号处理板上都有3组相同的均衡补偿电路，能够适应更多的信号，用户可根据需要补偿的强度来自己选择所需均衡补偿电路的个数。信号均衡补偿处理后发送到比较鉴别电路，经放大和均衡补偿的的信号基本恢复了原数字信号的特点，而比较鉴别电路是为了将信号恢复成真正的数字信号。如图4比较鉴别电路主要是由迟滞比较器组成，为适应不同的信号类型，比较鉴别电路同时用正比较、过零比较和负比较形成三路数字信号；除以上三部分主要电路外，井下信号的接收处理部分还包括幅度检测电路如图6。该电路就是将处理过的信号检波成直流信号，直流信号的大小代表信号幅度的大小。通过与标准信号的比较可以进行自动增益控制。
井上发送信号的处理过程
井上发送信号处理可细分成信号处理和功率放大两部分：
信号处理部分处理发送信号分两种情况：对于20.8333Kbps的曼彻斯特码，没有特殊处理只是进行功率放大，当发送这种信号时，仪器工作在半双工的状态；而对于300bps归零串口，先进行低通滤波处理，然后进行功率放大，当发送这种信号时，仪器工作在全双工的状态。如图7是信号处理部分电路：IC24是模拟开关，选择直接放大(8脚)还是经滤波后再放大(2脚)。其他以IC23(四运放)为主组成了一个300Hz的低通滤波。
如图8所示，功率放大部分以运放IC25为主组成前级放大，数字电位器IC30可控制增益。进而控制发送强度；IC26和Q2、Q3为主组成功率放大，以便驱动输出。
控制电路的工作过程
控制单元通过I2C接口控制接收和发送电路的特性。通过有I2C接口的模拟开关或数字电位器来调节控制接收和发送电路的特性，以到达不同电缆、不同码制信号的兼容性。
但此部分电路没有集中在一个地方而是分散在接收和发送各部分。主要通过IC30B和IC30C(AD5263，I2C接口数字电位器)来控制接收和发送电路的特性：其中IC30C直接利用数字电位器来改变电路中的电阻来调节电路，三级的均衡补偿强度(即是均衡补偿部分提到的可变电组)、发送功率控制；IC30B则是通过数字电位器产生可变电压，再由可变电压控制调节电路，其中控制电压包括：增益控制部分的VGain和均衡补偿部分的HbCtrl(即均衡补偿部分提到的压控可变电容)。
Claims (5)
1、一种石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，包括井下信号接收处理电路、井上发送信号处理电路和控制电路，其中井下信号接收处理电路包括放大电路、三级均衡补偿电路、比较鉴别电路和幅度检测电路，井上发送信号处理电路包括信号处理电路和功率放大电路，其特征是控制电路通过I2C接口控制井下信号接收处理电路和井上发送信号处理电路的特性，控制电路分散在井下信号接收处理电路和井上发送信号处理电路的各个部分，其中电压VGain控制井下信号接收处理电路的增益大小，电压HbCtrl控制均衡补偿电路的补偿频率，数字电位器IC30B控制均衡补偿电路的补偿强度，数字电位器IC30C控制井上发送信号处理电路发送功率的大小。
2、如权利要求1所述的石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，其特征是井上发送信号处理电路中的模拟开关IC24控制井上发送信号处理电路两种信号类型的选择，当模拟开关IC24的8脚导通时，信号是直接放大；当模拟开关IC24的2脚导通时，信号是经滤波后再放大。
3、如权利要求1所述的石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，其特征是均衡补偿电路是一组合电路，其中由R22、R22a和数字电位器IC30B构成一个可变电阻；C18、C19和模拟乘法器IC9构成一个可变电容，通过HbCtrl端电压改变电容，可适应不同速率和不同码制在不同信道的传输，适应多种信号的处理。
4、如权利要求1所述的石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，其特征是放大电路是一个由运放IC3组成的反相放大电路，其中R4、R5组成反相放大电路的输入电阻，R6、R7、R8和IC2B的光敏电阻部分组成反馈电阻，RW1、RW2、R41、R42、R43、R44、C27及IC14B的光敏电阻、IC13A的运算放大器组成一个可变电阻，使得控制电压VGain与光敏电阻呈线性关系，通过电压VGain改变电阻，进而控制整个电路的增益。
5、如权利要求4所述的石油测井领域地面系统自适应信号处理电路，其特征IC2B是一个光敏电阻型的光耦器件。
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| CN102749490A (zh) * | 2011-04-18 | 2012-10-24 | 中国石油集团长城钻探工程有限公司 | 井下仪器缆头电压直接测量方法和装置 |
| CN110939433A (zh) * | 2019-12-21 | 2020-03-31 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于数字均衡的生产测井地面装置及其数据处理方法 |
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