油氣井出砂信號(hào)預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)

表1運(yùn)放參數(shù)列表

反饋電容Cf的選取

電荷放大器輸出靈敏度的調(diào)節(jié)通常通過(guò)改變電荷轉(zhuǎn)換電路的反饋電容Cf實(shí)現(xiàn)，反饋電容的值不能選得太小，否則測(cè)試系統(tǒng)中使用的低噪聲同軸電纜的寄生電容將影響輸出靈敏度，且有積分漂移和泄露現(xiàn)象；反饋電容的值也不能選的太大，否則容易引起自激現(xiàn)象。而且Cf的精度直接影響測(cè)量的精度，所以反饋電容精度要高。一般要求精度在0.5% ~1% ,我們選擇的是聚苯乙烯電容。為了保證一定的增益，Cf 一般取100pF-10000pF?？紤]以上因素及實(shí)際情況選取Cf為100PF。

電阻R1與R2的選擇

由于電荷放大器的頻率上限主要決定于運(yùn)算放大器頻響和和輸入電纜的影響，若電纜太長(zhǎng)，雜散電容增加，同時(shí)導(dǎo)線的自身電阻也會(huì)增加，這些參數(shù)都影響放大器的高頻特性。本項(xiàng)目中選用的傳感器本身的等效電容為10PF,振動(dòng)頻率為100kHz-1MHz,可計(jì)算出R1約為16KΩ。

電荷放大器的頻率下限由反饋電容Cf和Rf反饋電阻決定。由于在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，對(duì)電纜噪聲比較敏感,故放大器零漂較大而產(chǎn)生誤差，為減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定， 選阻值非常高的電阻，以提供直流反饋。如果要制作頻帶響應(yīng)非常好的電荷放大器，則反饋電阻必須在1GΩ以上?？紤]到以上因素及實(shí)際情況選取R2為1GΩ。

濾波電路的設(shè)計(jì)

圖3 帶通濾波電路

帶通濾波器如圖3所示，它由二階低通濾波電路和二階高通濾波電路組成，其頻帶范圍為100kHz-1MHz。根據(jù)有源濾波電路的快速設(shè)計(jì)理論，很容易得到高低通濾波器的各個(gè)參數(shù)。

低通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為1MHz，低通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：

C10=10pF，R8=14.5K ，R9=50K ，C11=3.3PF

高通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為100kHz，高通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：

C13=100PF，C14=100PF，R10=11.3K ，R11=22.5K

該電路中的C4、C5、C12、C15、C20、C21、C23、C24是為減小正負(fù)電源對(duì)運(yùn)放的影響，減小引入運(yùn)放的高、低頻干擾。

測(cè)試仿真

電荷放大器的仿真測(cè)試

采用Mutilsim10電子電路仿真軟件對(duì)電荷放大器電路進(jìn)行仿真測(cè)試。而在Multisim10仿真軟件中，沒(méi)有直接的電荷源信號(hào)，而考慮到壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)，在形式上是以電流的形式輸出的。在電路分析時(shí)可以把傳感器看作一個(gè)電流源，其輸出電流在其電荷收集時(shí)間較短時(shí)可以看做是一種持續(xù)時(shí)間極短的電流沖擊脈沖。所以在仿真中使用脈沖電流源來(lái)近似代替電荷源信號(hào)。電荷放大器仿真電路如圖4所示。

圖4 電荷放大器的仿真測(cè)試圖

為了驗(yàn)證運(yùn)放的參數(shù)、反饋電阻、反饋電容對(duì)電荷放大器輸出的影響，分別做了電路仿真測(cè)試試驗(yàn)。

在電路其它測(cè)試參數(shù)不變的條件下，對(duì) 進(jìn)行參數(shù)掃描，讓 從100pF到1000pF以步長(zhǎng)100pF進(jìn)行參數(shù)，從圖5掃描的結(jié)果可以看出，反饋電容越小，其輸出電壓越大。與理論分析一致。

圖5 反饋電容的掃描波形

圖6 反饋電阻的掃描波形

同理讓Rf從1G到10G以步長(zhǎng)1G進(jìn)行參數(shù)掃描，從圖6掃描結(jié)果可以看出反饋電阻越大，其輸出電壓越大，與理論分析反饋電阻越大，反饋電容放電越慢，輸出電壓越大相一致。

為了驗(yàn)證所選集成運(yùn)放參數(shù)對(duì)電荷放大器測(cè)量結(jié)果的影響，分別對(duì)由集成運(yùn)放AD823和CA3140組成的電荷放大器在輸入電荷變換的情況下進(jìn)行了測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表2、3所示。