信號調(diào)制放大器在的應用及意義

雙側向測井中，首先由深、淺屏流源電路提供并通過屏流電極向地層發(fā)射32Hz和128Hz的屏蔽電流。流入地層的屏流在監(jiān)督電極1M和1'M,2M和2'M之間產(chǎn)生電位差。顯然該電位差包含了深淺側向的電流頻率。它由平衡放大混合電路放大，用以控制主電流發(fā)生器產(chǎn)生包含上述兩種頻率的主電流。所以主電流始終跟蹤屏流的極性和相位變化。正因如此，主電流的產(chǎn)生使監(jiān)督電極之間的電位差趨于零，相應聚焦了主電流，如圖1所示。

深側向屏流源電路實質(zhì)上是一個受控頻率為32Hz的電流源。其控制信號是DU2,它來自于深側向電壓檢測電壓檢測器，和深側向測量電壓成正比。深側向屏流源的輸出電流加在電極1A(‘1A)上，其屏流從1A( '1A)流出返回到地面電極B.深側向屏流源電路由信號調(diào)制放大器(包括差動放大器、調(diào)制放大器、深帶通濾波器)和功率放大器組成。

差動放大器的主要作用是用深側向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的U2D控制深屏流的幅度。深屏流源電路輸出深屏流的幅度正比于(U2-2U2D)，U2是參考信號。當?shù)貙与娮杪试黾訒r，如果沒有U2D 控制，深側向屏流將減少的很少。因為深側向主電流和屏流 具有跟隨作用，所以下降也少，相應地，深側向電壓UD上升得較多。又因U2D正比于UD,所以U2D跟隨UD上升。當有U2D控制時，U2D上升會使適當下降得多一些UD上升得少一些。從而使深側向測量電壓和電流的變化范圍都比較適中，這樣有利于擴大深側向測量視電阻率的動態(tài)范圍。

調(diào)制放大器把與(U2-2U2D)成正比的緩變直流轉(zhuǎn)換成32Hz的交流，然后通過帶通濾波成幅度正比于(U2-2U2D)、頻率32Hz的正弦波，最后經(jīng)過功率放大后加到屏蔽電極A1或A2上。

淺屏流源電路的組成和深屏流源電路相似，也是由信號調(diào)制放大器(包括差動放大器、調(diào)制放大器、淺帶通濾波器)和功率放大器組成的。差動放大器的作用是用U2D控制淺屏流源源電壓的幅度變化，進而使淺側向測量電壓US和測量電流IS的變化范圍都比較適中，以擴大淺側向測量地層電阻率的動態(tài)范圍。

由此可看出， 在側向測井中，屏蔽電流應與主電流同相位，而屏蔽電流的大小，則由監(jiān)督電極之間的電位差來自動控制。相敏檢波器輸出的信號屬于緩變信號，為了控制屏流，就需要把它變成與主電流頻率相同的正弦波信號。采用信號調(diào)制放大器就可以實現(xiàn)這個功能。

差動式放大器的原理及仿真

本研究以淺屏流源電路為例，設計一種斬波式調(diào)制放大器，它由方波信號產(chǎn)生電路、差動式放大器、調(diào)制放大器和多路負反饋帶通有源濾波器組成，克服了這些缺點，控制比較簡單，輸出穩(wěn)定而又準確，可以有效實現(xiàn)信號的調(diào)制放大。

信號調(diào)制放大器電路分為四大模塊：差動式放大器，調(diào)制放大器，方波產(chǎn)生及反相電路，多路負反饋有源帶通濾波器。其中差動式放大器為信號預處理電路，方波產(chǎn)生及反相電路是調(diào)制放大器的控制信號產(chǎn)生電路，調(diào)制放大器輸出調(diào)制后的方波信號，經(jīng)多路負反饋有源帶通濾波器后，得到幅度跟隨初始輸入信號的正弦波。所設計的信號調(diào)制放大器各個部分的關系如圖2 所示。

斬波式調(diào)制放大器是整個信號調(diào)制放大器的主體部分，它由第一級前置差動放大器和第二級斬波式調(diào)制器組成。

前置差動放大器設計

第一級前置差動放大器的主要作用是用淺側向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的 控制淺屏流的幅度變化，進而使淺側向測量電壓和測量電流 的變化范圍都比較適中，以擴大淺側向測量地層電阻率的動態(tài)范圍。

第一級前置差動放大器由運算放大器U1構成。U1的同相端輸入信號為U2D,反相端輸入為U1,U1是+15V直流電源經(jīng)R1和電位器R2所組成的分壓器分壓后得到的，其大小可在0~ 10V內(nèi)調(diào)節(jié)。U1的增益為

將所設計的各元件值代入上式可得KP=-1,故U1的輸出為

斬波式調(diào)制器設計過程及仿真分析結果

圖3為斬波式調(diào)制放大器原理電路圖，它由差動式放大器和斬波式調(diào)制器構成。其中U2D為淺側向電壓測量道附加相敏檢波器輸出的緩變信號，Q和-Q分別為555方波發(fā)生器產(chǎn)生的方波和經(jīng)過4049反相器反相后的方波，它們作為AD7510DI的控制信號。

其中AD7510DI具有以下功能：當5、6端為高電平，3、4端為低電平時，它的10、12端跟9、11、13、15端接通，而14、16端懸空;當5、6端為低電平，3、4端為高電平時，它的14、16端跟9、11、13、15端接通，而10、12端懸空。

緩變信號U2D經(jīng)差動放大器U1放大后，Ua加到調(diào)制放大器的輸入端。當Q驅(qū)動的開關接通，-Q驅(qū)動的開關斷開時，a點接地，輸入信號Ua由U2反相端輸入，其放大倍數(shù)為1,輸出為-Ua.當Q驅(qū)動的開關斷開，而-Q驅(qū)動的開關接通時，b點接地，輸入信號Ua的1/3由U2同相端輸入，放大3倍，輸出為Ua.因此，斬波式調(diào)制器輸出的方波高低電平分別為Ua、-Ua(差動放大器輸出電壓)，頻率為128Hz(控制信號的頻率)。(圖4)

斬波器輸出的信號經(jīng)帶通濾波后變成正弦波，然后再經(jīng)功率放大加至屏蔽電極A1、A2,產(chǎn)生淺屏蔽電流。

多路負反饋有源帶通濾波器設計及仿真

在側向測井中，使用的頻率不高，在需要的地方，如果采用無源濾波器，則用較大的電感和電容。為了減小無源濾波器的耗損，提高濾波性能，必須減小電感的直流電阻，并保證電容器的耗損，提高濾波性能，必須減小電感的直流電阻，并保證電容器的損耗不大。這樣的濾波器，體積大，價格高，不便使用。在低頻頻段，采用RC有源濾波器，完全可以避免使用大電感元件。由于無源元件所損失的能量，可以從有源單元中得到補充，因此，采用小型電阻和電容，配上運算放大器，就可以構成性能良好的有源濾波電路。

具有帶通濾波功能的有源網(wǎng)絡較多，像單T、雙T帶通有源濾波器，多路負反饋帶通有源濾波器等等，都可以起帶通濾波作用。前者只有一條反饋路徑，而后者卻有兩條反饋路徑。因此，后者具有某些明顯的優(yōu)點。例如，它使用的元件較少，而特性良好，接近理想的二階帶通濾波器特性。這種濾波器原理如圖5所示。

此電路的主要參數(shù)為：

在設計中，一般根據(jù)給定的002fπω=,品質(zhì)因素α1=Q和通頻增益KP,選擇電容量為某一標準值C,使C1=C2=C,計算出所用電阻的數(shù)值。

在本次設計的信號調(diào)制放大電路中，對該濾波器的要求為：中心頻率 為128Hz,通頻帶寬f為12.8Hz,通頻增益KP為1.

由設計要求可計算出：品質(zhì)因數(shù)Q=10,中心角頻率=256 ,選擇 =,均為220nf,可得出： R1=56.2k,R2=200,R3=113k.

調(diào)制信號經(jīng)該濾波器后輸出的波形如圖 6可看出，輸出的正弦波線性失真很小，該信號經(jīng)功率放大加至屏蔽電極A1、A2,產(chǎn)生淺屏蔽電流，然后通過變壓器加在屏蔽電極A1和A2上，如此連接使A1和A2成了屏流和主電流的回流電極，使主電流和屏流極性完全相同。

信號調(diào)制放大器電路整體設計和實驗結果

將以上所設計的各部分電路按照原理框圖連接起來，就組成了整體信號調(diào)制放大器電路。整體電路圖見圖7所示。在整體電路中，各部分電路(555多諧振蕩器及反相電路、斬波式調(diào)制器、多路負反饋有源帶通濾波器)輸出波形均能設計滿足要求，仿真結果和以上設計各部分電路時很相似。該信號調(diào)制放大器能很好地實現(xiàn)在淺屏流電路中使主電極和屏流電極同極性的功能，滿足了設計要求。

在面包板上連接好整體電路，接好電源，用示波器觀察斬波式調(diào)制放大器波形如圖8所示。經(jīng)過不斷的實驗分析改進后，面包板上連接好的整體電路各個部分輸出波形都達到或很接近該項目的設計要求。實現(xiàn)了對相敏檢波和差動信號輸出的直流信號轉(zhuǎn)換為正弦交流信號的目的。