CN204283400U

CN204283400U - 一种基于cmos开关的声波发射电路

Info

Publication number: CN204283400U
Application number: CN201420562710.9U
Authority: CN
Inventors: 魏呈霖; 余厚全; 魏勇; 杨旭辉; 邹骁; 胡凯利; 孟丽杰; 方禹; 栾娟
Original assignee: Yangtze University
Current assignee: Yangtze University
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2024-09-26

Abstract

本实用新型提供一种基于CMOS开关的声波发射电路，包括充电电路和发射电路，所述充电电路由CMOS集成开关芯片8、储能电容C’及外围电路构成，所述发射电路由CMOS集成开关芯片9、换能器B及外围电路构成，所述CMOS集成开关芯片8的V_SS端与所述CMOS集成开关芯片9的V_SS端通过串联电阻R2连接，所述CMOS集成开关芯片8的V_DD端与所述CMOS集成开关芯片9的V_DD端、S1A端和S2B端连接。该电路体积小，集成度高、效率高、结构简单，能有效地抑制了噪声干扰，提高了回波检测的准确性，不会因为温度压力变化产生频偏；可以满足方位立体声波测井、阵列声波测井和随钻声波测井等新仪器的开发需求。

Description

一种基于CMOS开关的声波发射电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于石油声波测井的声波发射电路，尤其涉及一种基于CMOS开关的声波发射电路。

背景技术

声波测井已经有80多年的历史(何允禄.超声测井仪回波信号检测算法研究与实现[D].湖北：华中科技大学,2012:1-5.)，是目前油气资源勘探开发的一种重要方法。声波发射电路是声波测井中声波(超声波)的发射装置。随着测井技术朝着成像化、多参量、阵列化方向发展，声波发射电路的功耗、性能和集成度直接影响井下仪器的性能和体积，声波发射电路主要用来产生不同形式的声波或超声波，以满足实际需要，常用的方法分为电容瞬间放电法、脉冲电源激励法以及RLC谐振类方法，但这几类方法需要为电路提供数百伏的脉冲电压，功耗高，体积大，存在严重的安全隐患(孙凌逸，高钦和，蔡伟，等.低压电源驱动的超声波发射接收电路设计[J].仪表技术与传感器,2010(10):77-79.)。

电容瞬间放电电路是超声波发射电路中最常用的模型，它利用电容的瞬间放电产生负脉冲，激发换能器发出超声波，该类电路结构简单，电损耗小，但需要直流高压(冯江亮，肖定国，徐春广，等.脉冲超声传感器激发/接收电路设计[J].仪表技术与传感器,2003(11):30-32)，直流高压可由逆变器、高压电源模块、开关电源升压电路等产生。

脉冲电源激励电路将直流高压瞬间加在超声换能器上，产生正高压脉冲，从而激发换能器发出超声波。由于换能器的等效电阻较小，电源近似短路，流过电源的瞬间电流很大，所以对电源的过载能力要求很高，且电路功耗高，对检测精度有较大影响(冯江亮，肖定国，徐春广，等.脉冲超声传感器激发/接收电路设计[J].仪表技术与传感器,2003(11):30-32)。

RLC谐振超声波发射电路由脉冲变压器完成升压和阻抗匹配工作，RLC并联谐振产生高频、高压脉冲激励信号(随卫平，潘仲明，五跃科.一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计[J].国防科技大学学报,2004,26(3):107-111)。由于采用谐振方式，激励脉冲的高频较稳定，但需要变压器升压，电路体积较大，且发射电路的LC参数会随温度压力变化发生漂移，导致发射的声波信号发生频偏。

目前常规声波(超声波)仪器的发射电路通常采用高压单窄脉冲激发方式，主要问题在于：(1)过高的发射电压导致电路功耗增大(鲁放，高红军，李剑.高性能超声电视成像测井仪[J].测井技术,2009,33(3):275-278)，因为电路的功耗与发射电路的电源电压平方成正比；(2)发射电路采用变压器耦合，变压器的使用会导致电路的体积较大(傅元，李德健.超声扫描成像测井仪发射电路[J].仪表技术与传感器,2012,9(9):21-24)，同时变压器的转换效率一般低于70％；(3)在高温高压环境下，发射电路的LC参数值会随温度压力变化发生漂移，导致发射的声波信号发生频偏；(4)高压单窄脉冲激发方式的声波到时检测是采用首波声幅门槛电平比较的方法，由于声波在不同介质中的衰减特性差异，声波到时检测的准确性受到检测方法的影响(张珂，俞国华，刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的研究[J].测控技术,2008,27(1):48-50)。

随着声波测井技术的发展，对声波发射电路提出了越来越高的要求(原宏壮，陆大卫，张辛耘，等.测井技术新进展综述[J].地球物理学进展,2005,20(3):786-795)，主要表现在要求发射电路结构简单，集成度高，功耗低，性能稳定，便于相关声波参数的提取。在现有的各类声波测井仪器中，发射电路的体积和功耗通常占据仪器的主要部分，因此减小发射电路的体积，降低发射电路的功耗，提高发射信号的稳定性就成为改善仪器性能和研发新仪器的关键因素之一。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有石油测井仪器声波发射电路的缺点，提供一种高集成度、高效率、结构简单的，能够在高温高压环境下稳定工作的声波(超声波)发射电路。

为了解决上述问题提供一种基于CMOS开关的声波发射电路。

实现上述目的本实用新型采用的技术方案是：该电路包括充电电路和发射电路，所述充电电路由CMOS集成开关芯片(8)、储能电容C及外围电路构成，所述发射电路由CMOS集成开关芯片(9)、换能器B及外围电路构成，所述CMOS集成开关芯片(8)的V_SS端与所述CMOS集成开关芯片(9)的V_SS端通过串联电阻R2连接，所述CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与所述CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端连接。

进一步地，充电电路的外围电路包括所述CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与S1A端并联再与电阻R5串联接入电源+V_C；S1B端与S2A端并联接地；IN1端串联电阻R6再接入电源+V_C；IN2端与EN端并联再与电阻R7串联；所述储能电容C’并联接入所述CMOS集成开关芯片(8)的D1端、D2端和V_SS端。

更进一步地，发射电路的外围电路包括所述CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端并联再串联电阻R1接入电源+V_C；V_SS端与S1B端、S2A端并联再串联电阻R2接入电源-V_C；IN1端串联电阻R3；IN2端与EN端并联再串联电阻R4；D1端、D2端并联电容C，所述换能器B与所述电容C并联。

该电路体积小，效率高，在温度压力变化的环境下工作稳定，并采用数字逻辑器件产生波形作为激励信号，并能根据换能器谐振频率的偏移调整发射信号频率，不会因为温度压力变化产生频偏。在激发波形设计方面，可以根据需要，采用周期性的多脉冲发射，通过相关检测有效地抑制了噪声干扰，提高了回波检测的准确性。

根据信号与通信调制理论([美]AlanV.Oppenheim.信号与系统[M].刘树棠译注.陕西:西安交通大学出版社,2008:420-422)，产生一个频谱形状与换能器传输特性匹配的基带信号e(t)，它是一个宽度为T_s的单脉冲，基带的主瓣带宽为1/T_s，2/T_s略大于换能器的通带；然后用e(t)去调制一个频率为换能器中心频率f_c的正弦载波信号c(t)＝sin(2πf_ct)，形成已调信号s(t)＝e(t)sin(2πf_ct)。已调信号的时域波形长度为T_s、频率为f_c的子波，频谱即为基带信号e(t)的频谱搬移到f_c的结果，它的频谱带宽恰好覆盖换能器的通带，将已调信号作为发射信号，称为激发子波信号。

要实现发射信号与换能器传输特性的最佳匹配，发射子波的频率f_c要等于换能器的中心频率，发射子波长度T_s的选择应使子波激发信号的带宽略大于换能器的带宽，即使2/T_s略大于换能器的带宽。T_s选得过小，会使子波带宽过大，发射信号中的无效频谱分量增加；T_s选的过大，又会在收发一体的超声反射测井时导致发射子波信号的尾部与最近距离回波信号的首波交叠，形成干扰，因此应根据实际情况综合考虑。

基于上述激发子波的设计原理，为了使发射电路尽可能简单，以便提高其集成度，提出了基于CMOS集成开关的双极性电源驱动的超声信号激发电路实现方案，基本思路是用一个持续时间为T_s(主瓣双边带带宽恰好覆盖换能器通带)的单脉冲去调制一个频率等于换能器中心频率f_c、占空比相同、幅度满足信号检测能量需求的双极性脉冲序列，代替去调制频率为f_c的正弦波。

本实用新型首先设计了基于CMOS开关的双极性电源驱动的声波发射电路，即发射电路部分，但是获取双极性的高温集成电源芯片却比较困难，而温度性能达到170℃的单极性高温集成电源芯片是可以得到的，因此，为了解决获取双极性的高温集成电源芯片比较困难的问题，在上述双极性电源驱动的发射电路基础上，进一步设计了一种基于CMOS集成开关的单极性电源到双极性电源的转换电路，即充电电路部分。

本实用新型的有益效果：

采用常压幅度的子波激发代替高压窄脉冲激发：通过发射信号频谱与声波换能器通带匹配，提高了发射信号的利用率；通过激发子波信号与接收信号进行相关处理，降低了发射电压幅度，实现能量积累，消除了干扰。

电路结构简单，集成度高，能非常方便地根据换能器谐振频率调整发射信号频率，不会因为温度压力变化产生频偏，性能稳定。

可采用周期性双极性子波激发，使发射信号的频谱与换能器的传输特性匹配，降低了发射信号的功耗。

在激发波形的设计方面，可以根据需要，采用特定的子波激发，通过激发子波与接收声波的相关，有效抑制了噪声干扰，实现有效信号的能量积累，大大提高了声波参数检测的准确性。

能够稳定、可靠地工作于155℃高温环境。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型基于CMOS集成开关双极性电源驱动超声波发射电路结构示意图；

图2(a)为本实用新型基于CMOS集成开关双极性电源驱动超声波发射电路工作时序波形图；

图3为本实用新型基于CMOS集成开关双极性电源驱动超声波发射电路在反射界面为灰砖，反射距离为60mm，在比重为1.26mg/cm³的泥浆中换能器的激发子波及其回波数字化后的波形；

图4为本实用新型基于CMOS集成开关单极性电源驱动超声波发射电路结构示意图；

图5为本实用新型基于CMOS集成开关单极性电源驱动超声波发射电路时序波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图2所示，基于CMOS集成开关的双极性电源驱动的声波激发电路主要由CMOS集成开关芯片、换能器及外围电路构成。

发射电路的外围电路包括CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端并联再串联电阻R1接入电源+V_C；V_SS端与S1B端、S2A端并联再串联电阻R2接入电源-V_C；IN1端串联电阻R3；IN2端与EN端并联再串联电阻R4；D1端、D2端并联电容C，所述换能器B与所述电容C并联。

基于CMOS集成开关的双极性电源驱动的超声波激发电路的控制信号分别为：使能信号1，开关信号2，当1为高电平时，COMS开关使能，其持续时间等于激发子波的时长T_s；在使能为高电平期间，当2为高逻辑电平时，开关S1A、S2A导通，上单刀双掷接+Vc,下单刀双掷接-Vc,在换能器两端施加+2Vc的激励电压；当2为低逻辑电平时，开关S1B、S2B导通，上单刀双掷接-Vc,下单刀双掷接+Vc,在换能器两端施加-2Vc的激励电压；若2为一频率等于换能器中心频率、占空比为50％的逻辑信号，则发射电路输出即为持续时间为T_s、频率等于换能器中心频率、幅度为2Vc的双极性激发子波。

双单刀双掷CMOS集成开关芯片体积小，两个开关的匹配性好，且目前市场上的耐压值达到50V、温度性能稳定、不同开关速度的CMOS开关是容易得到的，为实现不同电压幅度、不同工作频率的声波发射电路提供了工程解决方案。图3给出了按照图2所示基本原理所设计的电路以及图2(a)所示工作时序，在反射界面为灰砖，反射距离为60mm，比重为1.26mg/cm³的泥浆中换能器的激发子波及其回波波形。整个电路在155℃的恒温烘箱中，能够稳定、可靠地工作，具有良好的温度性能。

基于上述双极性电源驱动的声波激发电路，为了解决获取双极性高温集成电源芯片相对困难的问题，进一步设计了一种采用单极性电源驱动的声波发射电路方案，它的基本思想是利用在非发射子波期间单极性电源给电容充电所储存的电荷为发射子波阶段提供负电源，具体电路设计如图4所示，由充电电路部分和发射电路部分组成。

充电电路由CMOS集成开关芯片(8)、储能电容C及外围电路构成，发射电路由CMOS集成开关芯片(9)、换能器B及外围电路构成，CMOS集成开关芯片(8)的V_SS端与CMOS集成开关芯片(9)的V_SS端通过串联电阻R2连接，CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端连接。

充电电路的外围电路包括CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与S1A端并联再与电阻R5串联接入电源+V_C；S1B端与S2A端并联接地；IN1端串联电阻R6再接入电源+V_C；IN2端与EN端并联再与电阻R7串联；储能电容C’并联接入所述CMOS集成开关芯片(8)的D1端、D2端和V_SS端。

电路工作流程：

如图4所示，其中8和10为充电电路部分，为提供负极性电源储能；9为发射电路部分，与图2所示的电路结构相同，CMOS集成开关芯片可以采用ADG1436；如图5所示，一个完整的工作周期分为电容充电和发射子波两个阶段；在电容充电阶段，控制信号4置为高逻辑电平，开关8的S1A、S2A导通，储能电容正极接电源，负极接地，完成充电过程，电容两极保持5V的电位差；在发射子波阶段，控制信号4置为低逻辑电平，U1的S1B、S2B导通，电容正极接地，电容负极性端的电压相对地电位为-5V，为发射电路提供了负极性电源。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于CMOS开关的声波发射电路，其特征在于：包括充电电路和发射电路，所述充电电路由CMOS集成开关芯片(8)、储能电容C及外围电路构成，所述发射电路由CMOS集成开关芯片(9)、换能器B及外围电路构成，所述CMOS集成开关芯片(8)的V_SS端与所述CMOS集成开关芯片(9)的V_SS端通过串联电阻R2连接，所述CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与所述CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端连接。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS开关的声波发射电路，其特征在于：所述充电电路的外围电路包括所述CMOS集成开关芯片(8)的V_DD端与S1A端并联再与电阻R5串联接入电源+V_C；S1B端与S2A端并联接地；IN1端串联电阻R6再接入电源+V_C；IN2端与EN端并联再与电阻R7串联；所述储能电容C’并联接入所述CMOS集成开关芯片(8)的D1端、D2端和V_SS端。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS开关的声波发射电路，其特征在于：所述发射电路的外围电路包括所述CMOS集成开关芯片(9)的V_DD端、S1A端和S2B端并联再串联电阻R1接入电源+V_C；V_SS端与S1B端、S2A端并联再串联电阻R2接入电源-V_C；IN1端串联电阻R3；IN2端与EN端并联再串联电阻R4；D1端、D2端并联电容C，所述换能器B与所述电容C并联。