数模混合可编程技术在测井仪器中的应用-.pdf

2 0 0 6年 第 1 期 测 井与 射孔 数模混合可编程技术在测井仪器中的应用 任 昭宇 中国石油大学 - 北京 摘要 可编程数模混合器件是一个可重复使用的、 低成本的、 高性能的模拟处理和数字控制芯片。 它既属于模拟集成电路， 又同可编程逻辑器件一样 ， 可由用户通过现场编程和配置来改变其内部连接和 元件参数， 从而获得所需要的电路功能。器件的生产厂家都提供相应的开发工具， 用户在其设计和使用 中可以象可编程逻辑器件那样方便、 灵活和快捷， 并且具有高度集成、 开发速度快、 可重复使用、 可靠性 高、 保密性强等特点。因此， 它使测并仪器小型化和高度集成化成为现实。 关键词 数模混合可编程技术测井仪器 1 概述 可编程数模混合器件是 由前置放大器、 可编 程放大器 、 多路双 向模拟开关 、 P WM 供电控制电 路和数字电路组成的 ， 主要承担模拟信号 的控制 和处理任务 ， 输入 、 输出间提供了一个可编程的模 拟线路网络。它把高集成度技术和精确设计集于 一 体 ， 取代了传统的分立模拟器件 它是特定用 户和普通用户的整机或系统技术 紧密结合 的产 物， 在构成电子线路系统时具有 以下几个方面的 优越性 1 开发速度快 、 可模 拟仿真 、 功能强 、 成 本低 } 2 缩小体积 、 减轻重量 、 降低功耗 } 3 外部 连线减少， 提高仪器的可靠性 ； 4 通过系统的电 路设计和工艺设计的紧密结合， 有利于获得高性 能系统 } 5 可增强保密性； 6 在大批 量应用时 ， 可显著降低系统成本 } 7 具有可编程的优点 。对 于系统频率不很高的测井仪器 ， 非常适用。 2 测井仪器 测井仪器是由探头、 电子线路、 承高压的不锈 钢外壳组成的， 外壳的直径小于 9 0 mm。电路主 要有供电系统、 测量系统、 信号传输系统三部分组 成 。许多测井 仪器 的供 电电路 和测量 电路 的功 能、 原理是相 同的， 只是供电系统带通滤波器的中 心频率和放大倍数不同。如图 1所示， 微电极测 井仪器有两路信号采集 电路， 三组多路负反馈带 通滤波电路 的频率 都是 2 5 6 Hz ， 只是增益不 同。 供电信号控制 电路 通过极 板 向地层输 出 2 5 6 Hz 的正弦 波 信 号 ； 测 量 电 路 通 过 前 置 放 大 电 路 AMP 、 带通滤波 电路 、 相敏检波 、 低通滤波变成 直流信号。直流信号由A D转换成为数字信号。 数字信号由微控制器处理、 数据传输送至地面系 统 。 测井仪器的测量系统首先要从传感器上获得 的交流信号经过调理， 变成直流模拟量， 然后通过 A／ D转换将其变成数字信号 ， 这样就可以采用数 字处理技术实现监测及控制 。但能否得到高质量 的模拟信号决定 了一个测量控制系统的品质和性 能， 因此模拟信号调理电路 的设计在 电子系统设 计 中占有非常重要的位置。目前大多数模拟电路 都是基于运算 放大器 的， 由于运算放大器外 围分 立元件性能的离散性， 使得电路参数选取、 调试都 很麻烦 ， 而且在批量生产时， 很难实现电路参数及 性能的一致性 ， 带通滤波器的云母电容体积大、 防 震性能差 。另外 ， 测井仪器长 时间工作在高温高 压的条件下， 器件的老化问题 ， 很难保证长时间工 作的稳定性。 模拟电路设计难度大 、 费时 间。设计模拟 电 路的方法是 ， 先设计原理图， 再利用原理图编辑程 序的特性和标示 功能来确定各个元件 的参数 ； 设 收稿 日期 2 0 0 5 一l 1 2 2 作者1崎介 任昭宇， 现就读于中国石油大学 北京 机电学院电子信息工程专业． 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 测 井与 射孔 2 0 0 6卓 广 一 ； I A o 转 换 I 徽 控制 器 l l DSP ； l 数据传辅 滤 曰 。茜 ⋯ i 图 1 微 电极测井仪器原理 图 定工作 目标， 对设计进行仿真以观测其工作特性， 必要时修改电路， 然后再重复以上过程 ， 直到达到 设计目标为止。图 l 的微电极测井仪器只是最简 单的一种测井仪器 。如果图 1 虚框内的电路进行 简化融合 ， 相敏检波、 ML I ． 5和 ML 2带通滤波换 成数 字滤波 ， 供 电信号控 制 电路 和带 通滤 波 由 P WM 电路代替 ， 就变成一个 通用 的芯片 。芯 片 内还包含前置放大器 、 多路双向模拟开关 、 现场可 编程门阵列 F P GA 和微控 制器 ， 该 芯片就是一 个多功能的模拟和数字电路系统 。它 的设计和使 用可以象可编程逻辑器件那样方便、 灵活和快捷 ， 还可以根据需要随时改变模拟系统内部各电路的 性能和参数， 并且电路中设置 自检测和 自校准 功 能， 使设计者从复杂、 繁琐 、 费时的模拟 电路设计 中解放 出来。许多模拟电路 的功能被集成于芯片 上 ， 印刷电路板 P C B 上 的连接点和元器件数 目 显著减少 ， 特别省略 了防震性能差、 体积大的云母 电容 ， 仪器的长度变短， 功耗将大大降低 ， 仪器的 可靠性会有很大的提高。这一设想正是测井仪器 发展的 目标。这芯片称为可编程数模混合器件 。 3 可编程数模混合器件 可编程数模混合器件 由用户通过现场编程和 配置来改变其内部连接和模 块电路的参 数， 从而 获得所需要的电路功能。它把高集成度的精确设 计集于一体 ， 取代 了传统的分立元件所能实现的 功能。可编程数模混合器件的灵活性是利用内在 的可编程性 ， 提供对应于固定功能 的可配置软件 模拟外设 ， 实现对输入通道、 采样 时间、 采样速率 以及 电压基准源的完全控制。利用软件选择所需 的专用功能。数模转换 D AC 提供 了选择 供 电 输 出格式、 触发源、 多个数模转换分组 的功能 ， 还 提供 了配置模拟输出缓冲器实现功率与驱动最佳 平衡的功能。运算放大器通常是电子线路设计 中 最特殊也是最关键的模拟组件 之一， 可编程数模 混合器件有数个寄存器， 实现包括建立时间、 轨至 轨输入以及反馈 电阻在 内的完全可编程性 ， 利 用 多个嵌入式运算放大器， 可以很容 易地实现差 分 放大器与仪器放大器等复杂电路 。为了满足准确 性要求 ， 测量功能可在 1 ～1 0 0 0倍的动态 电压 范 围内提供精确到 0 ． 1 的测量， 大大超 过了常规 测井仪器 2 的一般精确 度。可编程数模混合器 件可保持微伏模拟信号的完整性 。 4 典型可编程数模混合器件的介绍 近年来 出现 了多种新型可 编程器件 ， 主要 包 括现场可编程模拟阵列 F P AA 、 系统可编程 模 拟 电路 i s p P AC 和可编程单芯片系统 P S O C 等 几大类 。器件主要包含可编程模 拟单元 C AB 、 可编程互 连网络、 配置逻辑接 口、 配置数据 存储 器 、 模拟 I ／ 0单 元 、 微控 制器、 电源 电压监控 器 S VS 、 温度监控器 等几大部分 。它具有很多优 势 系统性能更好 ， 功耗更小 ， 成本更低， 减少印制 线路板上部件数 目， 减小了电路板面积， 增加产品 一 次性合格率 ， 可靠性更高 ， 开发更容易 4 ． I F P AA现场可编程模拟阵列 ． 芯片内有可编程模 拟单元 C AB 见 图 2 、 可编程互连网络、 逻辑接 口、 数据存储器、 模 拟 I ／ O单元等几 大部分 。模 拟 I ／ O单元 等与器件 引 脚相连 ， 负责对输入、 输 出信号进行驱动和偏置， 逻辑接 口通过串行 、 并行总线或在系统编程 I S P 方式 ， 接 收外部输入 的数据并 存人数据存储 器。 数据存储器可以是移位寄存器 、 S R AM 或者非易 失的 E 2 P ROM、 F L AS H 等， 其 容量可 以数 十位 至数千位不等 。可编程互 连网络是多输入、 多输 出的信 号 交 换 网 络 ， 受 配置 数 据 控 制， 完 成 各 C AB之间及其与模拟 I ／ O单元之间的电路 连接 和信号传递 。C AB是可编程模 拟器件 的基本单 元 ， 一般由运算放大器 、 电容阵列 、 电阻阵列、 开关 阵列等共同构成 。各元件取值及相互间连接关系 等均受配置数据控制， 从而呈现不同的 C AB功能 组态和元件参数组 合， 以实现用户所需 的电路功 能。C AB的性能及其功能组态 和参 数组 合 的数 目， 是决定可编程模拟器件功能强弱和应用范 围 的主要 因素。 可编程模拟器件 F P AA 是通过配置数据来 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 任昭宇 数模混合可编程技术在测井仪器中的应用 畴 “ 非啦 妻丁 p A 互 啦 连 通 涨 道 J 输入 j 监 储器f S RAM1 图 2 AN1 0 E 4 0的 C AB结构 仝 埘 输 出 同 部 输 Ⅱ 设定器件 内部各模拟块的功能的。通过编程可以 设定输入输出方式， 输入输 出都可设定为有或无 缓冲的输入输 出方式 。A N1 0 E 4 0有 2 O个可编程 模拟单元 C AB s 、 1 3个可编程模拟 I ／ 0单元 、 2 个备用运算放大器。 一 个现场可编程模拟器件的性能取决于器件 本身 的物理性能 和所能使用 的 I P模块 的功能 。 可使用 的 1 P模块功能越多， 器件性能就越高， 设 计起来就越快 ANI O E 4 0的 I P模块具有以下功 能 增益级联 、 求和放大器、 采样保持器 、 跟踪保持 器 、 余弦滤 波器、 D C参 考 电压源 、 限幅器、 微分 器 、 高通滤波器、 低通 滤波器 、 带通／ 带阻滤波器、 高 Q值滤波器、 低 Q值滤波器 、 全波整流器、 半波 整流器、 正反向整流器 、 1或 2输入 端 比较 器、 正 反向比例器、 斯密特触发器 、 正反向积分器等。以 强大的功能和简单 的接 口， 为用户提供 了一个设 计模拟电路 的简捷方法。 4 ． 2 P S O C的单芯片结构 P S O C的单芯片结构 C P U核 模拟阵列 数字阵列其它 ， 称为片上可编程系 统 P S OC-- P r o g r a mma b l e S y s t e m o n C h i p 。芯片内部集成 了数字和模拟 b l o c k模块 ， 可以根据不 同设计要 求 ， 调用不同的数字和模拟 b l o c k模块 ， 完成芯片 内部的功能设计， 实现使用一块芯片就可以配置 成具有多种不同外 围元器件的微控制器 ， 即可配 置的嵌入式微控制器。因此 ， P S O C能够适 用非 常复杂的实时控制， 并且可以提高开发效率， 降低 系统开发费用 ， 同时增强系统 的可靠性和抗干扰 能力 。芯片内包含 D ／ A 转换器 1 6位 、 A ／ D转 换器 ∑一△式 、 放大器、 计 数器、 定时器、 滤波 器、 脉宽调制 P WM 、 通信模块 S P I 主 、 S P I 从 ， TX， R X， UAR T 等等 。芯片内具有 1 2个可配置 模拟和 1 6个可配置数字组合单元 的 C Y8 C 2 9 x x x 系列， 使得 P S O C的数字外围元件数量增加了一 倍 ， 因而 能 够 集 成 更 多 的 定 时 器、 计 数 器 和 P WM， 并在单 个 P S O C芯 片 内集 成 4个 1 4位 AD转换器， 还包括两个具有 8位乘法器和 3 2位 累加器的 MAC， 并最 大限度地 降低 了微处理器 MP U 的开销 。 P S O C器件还配套提供“ 用户模块” 库来帮助 用户完成器件配置， 用户模块是预创建预测试的、 可完成特定功能的 P S O C配置。P s 0 C器件中还 有大量的可编程布线资源， 模拟和数字信号可利 用这些布线资源实现用户模块问的连接。设计人 员可在器件内创建所有信 号链 ， 包括对来 自传感 器的信号进行放大， 输入到滤波器进行噪声抑制 ， 再输入到 AD C转换 为数字量。P S OC器件还提 供了在应用开发和使用的不同阶段重新配置模拟 和数字 P S O C模块 的能力 。 4 ． 3 嵌入式信号处理器 E S P 嵌入式信号处理器是模拟电路和微型化 1 6 位 DS P器件 的组合。该 器件采用优化 的 C P U、 硬件乘法器 、 RAM 以及 R OM， 具 有同时使用 采 样和保持的三个独立的 1 6位 △一E AD C的能力 ， 芯片集成了精确的电压参考与温度感应器。E S P 可方便地初始化 ， 而无需应用软件。与主要 的 1 6 位 C P U 的通信是通过现有的存储器和数据地址 总线作为可读写邮箱寄存器完成的。数字校准在 制造过程中执行 ， 无需其它 的软件支 持。为了满 足准确性要求， 测量功能可在 1 ～1 0 0 0倍的动态 范 围内提供精确度为 0 ． 1 的测 量， 特别是在快 速开关瞬变负载环境 中实现了更高的精确度。 5 结束语 目前 ， 可编程数模混合器件的功能各异， 性能 还不能达到分离元 器件 的某些要求 ， 如 AMP器 件的高速、 压摆率、 低噪声等 。尽管可编程模拟器 件问世不久 ， 有关 的技术与产 品仍显稚嫩 ， 但其内 在的便利性 以及 可编程逻辑器件 的成功经历 ， 有 理由相信 可编程模拟器件 的技术必将 日益成熟 ， 器件品种必将 日益丰富， 最终 成为测井仪器模拟 电路设计和应用中的首选器 件。 参考文献 略 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m