一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路及方法技术

一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路及方法。电路包括井下测量单元、平衡滤波单元、程控放大单元、模数转换单元、井下控制单元和电源管理单元，其中：井下测量单元通过平衡滤波单元与程控放大单元连接，程控放大单元与模数转换单元连接，模数转换单元与井下控制单元连接，井下控制单元与程控放大单元连接，电源管理单元分别与井下测量单元、程控放大单元和井下控制单元连接。本发明专利技术能实现对井下测量单元输出模拟信号量的平衡滤波、程控放大、模数转换，滤除信号中存在的噪声和干扰，为井下控制单元进行正确分析决策提供准确测量信息，具有重要研究价值。本发明专利技术的电路结构抗干扰性强，适用于井下复杂、恶劣工况，具有较好应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路及方法
本专利技术属于石油天然气钻井
，特别是涉及一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路及方法。
技术介绍
石油钻井领域中，智能钻井工具通过井下测量单元对井底压力、环空压力、钻压、温度、扭矩等工程参数进行实时测量，由井下控制单元根据测量数据进行井下工况分析、智能钻井工具故障分析，以便优化钻具组合，指导正常钻进。由于井下存在高温、高压、冲击、振动等恶劣工作环境，井下测量单元中传感器输出的微小模拟信号将伴随着大量的噪声和干扰，因此信号处理效果的好坏会直接影响到井下控制单元的分析决策，而目前常规的信号处理方式无法满足恶劣钻井环境中对信号提取的要求。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路及方法，用于对模拟测量信号进行滤波、放大、模数转换操作。为了达到上述目的，本专利技术提供的用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路包括：井下测量单元、平衡滤波单元、程控放大单元、模数转换单元、井下控制单元和电源管理单元，其中：井下测量单元通过平衡滤波单元与程控放大单元连接，程控放大单元与模数转换单元连接，模数转换单元与井下控制单元连接，井下控制单元与程控放大单元连接，电源管理单元分别与井下测量单元、程控放大单元和井下控制单元连接。所述平衡滤波单元包括第一运算放大器U1及其外围电路和第二运算放大器U2及其外围电路，所述第一运算放大器U1和所述第二运算放大器U2均选用INA128仪表放大器，两者组成平衡滤波网络，所述第一运算放大器U1的反相输入引脚-IN1连接外围电路中第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接地，所述第一运算放大器U1的同相输入引脚+IN1与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端连接井下测量单元100的输出信号VIN，所述第一运算放大器U1的电源负引脚-VS接地，所述第一运算放大器U1的电源正引脚+VS连接直流3.3V电源VDD3.3，第一电容C1一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，第一电容C1用于滤除电源端噪声；所述第一运算放大器U1的输出引脚OUT1为平衡滤波单元200的同相输出端，输出信号记为VFIR1，第三电阻R3的一端连接所述第一运算放大器U1的反相输入引脚-IN1，另一端连接所述第一运算放大器U1的输出引脚OUT1，所述第二运算放大器U2的反相输入引脚-IN1连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接井下测量单元100的输出信号VIN，所述第二运算放大器U2的同相输入引脚+IN与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，所述第二运算放大器U2的电源负引脚-VS接地，所述第二运算放大器U2的电源正引脚+VS连接直流3.3V电源VDD3.3，第二电容C2一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，第二电容C2用于滤除电源端噪声；所述第二运算放大器U2的输出引脚OUT1为平衡滤波单元200的反相输出端，输出信号记为VFIR2，第六电阻R6的一端连接所述第二运算放大器U2的反相输入引脚-IN1，另一端连接所述第二运算放大器U2的输出引脚OUT1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6阻值相等。所述程控放大单元包括第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5及其外围电路，所述第三运算放大器U3和所述第四运算放大器U4均选用可编程程控放大器，第五运算放大器U5选用OPA333运算放大器，所述第三运算放大器U3的关断引脚SHDN悬空设置，所述第三运算放大器U3的反相输入引脚IN-接地，所述第三运算放大器U3的同相输入引脚IN+连接所述平衡滤波单元200中第一运算放大器U1的输出信号VFIR1，所述第三运算放大器U3的电源负引脚V-接地，所述第三运算放大器U3在并行模式下的锁存引脚HOLD悬空，所述第三运算放大器U3的片选引脚CS、数据输入引脚DIN、串行时钟引脚CLK和数据输出引脚DOUT组成SPI串行数据总线，与所述井下控制单元500连接，所述第三运算放大器U3的数字地引脚DGND接地，所述第三运算放大器U3的并行/串行接口选择引脚PARA_SER接地，选择设置为串行模式；所述第三运算放大器U3的参考电压输入引脚REF与第五运算放大器U5的输出引脚OUT连接，所述第三运算放大器U3的SENSE引脚与所述第三运算放大器U3的输出引脚OUT连接，所述第三运算放大器U3的输出信号记为VAMP1，所述第三运算放大器U3的电源正引脚V+连接直流3.3V电源VDD3.3，外围电路中的第三电容C3一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，所述第四运算放大器U4的反相输入引脚IN-接地，所述第四运算放大器U4的同相输入引脚IN+连接所述第二运算放大器U2的输出信号VFIR2，所述第四运算放大器U4的电源负引脚V-接地，所述第四运算放大器U4在并行模式下的锁存引脚HOLD悬空，所述第四运算放大器U4的片选引脚CS与所述井下控制单元500连接，所述第四运算放大器U4的串行数据输入引脚DIN与所述第三运算放大器U3的串行数据输入引脚DIN连接，所述第四运算放大器U4的串行时钟引脚CLK与所述第三运算放大器U3的串行时钟引脚CLK连接，所述第四运算放大器U4的串行数据输出引脚DOUT与所述第三运算放大器U3的串行数据输出引脚DOUT连接，所述第四运算放大器U4的片选引脚CS、串行数据输入引脚DIN、串行时钟引脚CLK和串行数据输出引脚DOUT组成第四运算放大器U4的SPI串行数据总线；所述第四运算放大器U4的DGND引脚为数字地引脚，接地，所述第四运算放大器U4的PARA_SER引脚为并行/串行接口选择引脚，设置为串行模式，接地，所述第四运算放大器U4的REF引脚为参考电压输入引脚，连接所述第三运算放大器U3的REF引脚，所述第四运算放大器U4的SENSE引脚与所述第四运算放大器U4的输出引脚OUT连接，所述第四运算放大器U4的输出信号记为VAMP2，所述第四运算放大器U4的电源正引脚V+连接直流3.3V电源VDD3.3，第四电容C4一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，所述第五运算放大器U5的电源正引脚V+连接直流3.3V电源VDD3.3，第五电容C5一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，第七电阻R7一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端连接所述第五运算放大器U5的同相输入引脚+IN，第八电阻R8一端连接所述第五运算放大器U5的同相输入引脚+IN，另一端接地，所述第五运算放大器U5的电源负引脚V-接地，所述第五运算放大器U5的反相输入引脚-IN连接所述第五运算放大器U5的输出引脚OUT。所述模数转换单元400包括第六模数转换芯片U6及其外围电路、第七电源转换芯片U7、第八运算放大器U8，所述第六模数转换芯片U6选用AD7916模数转换芯片，所述第七电源转换芯片U7选用MAX62252.5V电源转换芯片，所述第八运算放大器U8选用OPA333运算放大器芯片，所述第六模数转换芯片U6的电源正引脚VDD连接直流稳压电源2.5V，所述第六模数转换芯片U6的参考电压输入引脚REF连接第八运算放大器U8的输出引脚OUT，所述第六本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路，其特征在于：所述的用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路包括：井下测量单元(100)、平衡滤波单元(200)、程控放大单元(300)、模数转换单元(400)、井下控制单元(500)和电源管理单元(600)，其中：井下测量单元(100)通过平衡滤波单元(200)与程控放大单元(300)连接，程控放大单元(300)与模数转换单元(400)连接，模数转换单元(400)与井下控制单元(500)连接，井下控制单元(500)与程控放大单元(300)连接，电源管理单元(600)分别与井下测量单元(100)、程控放大单元(300)和井下控制单元(500)连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路，其特征在于：所述的用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路包括：井下测量单元(100)、平衡滤波单元(200)、程控放大单元(300)、模数转换单元(400)、井下控制单元(500)和电源管理单元(600)，其中：井下测量单元(100)通过平衡滤波单元(200)与程控放大单元(300)连接，程控放大单元(300)与模数转换单元(400)连接，模数转换单元(400)与井下控制单元(500)连接，井下控制单元(500)与程控放大单元(300)连接，电源管理单元(600)分别与井下测量单元(100)、程控放大单元(300)和井下控制单元(500)连接。2.根据权利要求1所述的用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路，其特征在于：所述平衡滤波单元(200)包括第一运算放大器U1及其外围电路和第二运算放大器U2及其外围电路，所述第一运算放大器U1和所述第二运算放大器U2均选用TI公司的INA128仪表放大器，两者组成平衡滤波网络，所述第一运算放大器U1的反相输入引脚-IN1连接外围电路中第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接地，所述第一运算放大器U1的同相输入引脚+IN1与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端连接井下测量单元100的输出信号VIN，所述第一运算放大器U1的电源负引脚-VS接地，所述第一运算放大器U1的电源正引脚+VS连接直流3.3V电源VDD3.3，第一电容C1一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，第一电容C1用于滤除电源端噪声；所述第一运算放大器U1的输出引脚OUT1为平衡滤波单元200的同相输出端，输出信号记为VFIR1，第三电阻R3的一端连接所述第一运算放大器U1的反相输入引脚-IN1，另一端连接所述第一运算放大器U1的输出引脚OUT1，所述第二运算放大器U2的反相输入引脚-IN1连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接井下测量单元100的输出信号VIN，所述第二运算放大器U2的同相输入引脚+IN与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，所述第二运算放大器U2的电源负引脚-VS接地，所述第二运算放大器U2的电源正引脚+VS连接直流3.3V电源VDD3.3，第二电容C2一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，第二电容C2用于滤除电源端噪声；所述第二运算放大器U2的输出引脚OUT1为平衡滤波单元(200)的反相输出端，输出信号记为VFIR2，第六电阻R6的一端连接所述第二运算放大器U2的反相输入引脚-IN1，另一端连接所述第二运算放大器U2的输出引脚OUT1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6阻值相等。3.根据权利要求1所述的用于井下工程参数测量信号调理的模拟电路，其特征在于：所述程控放大单元(300)包括第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5及其外围电路，所述第三运算放大器U3和所述第四运算放大器U4均选用LTC6915可编程程控放大器，第五运算放大器U5选用TI公司的OPA333运算放大器，所述第三运算放大器U3的关断引脚SHDN悬空设置，所述第三运算放大器U3的反相输入引脚IN-接地，所述第三运算放大器U3的同相输入引脚IN+连接所述平衡滤波单元200中第一运算放大器U1的输出信号VFIR1，所述第三运算放大器U3的电源负引脚V-接地，所述第三运算放大器U3在并行模式下的锁存引脚HOLD悬空，所述第三运算放大器U3的片选引脚CS、数据输入引脚DIN、串行时钟引脚CLK和数据输出引脚DOUT组成SPI串行数据总线，与所述井下控制单元(500)连接，所述第三运算放大器U3的数字地引脚DGND接地，所述第三运算放大器U3的并行/串行接口选择引脚PARA_SER接地，选择设置为串行模式；所述第三运算放大器U3的参考电压输入引脚REF与第五运算放大器U5的输出引脚OUT连接，所述第三运算放大器U3的SENSE引脚与所述第三运算放大器U3的输出引脚OUT连接，所述第三运算放大器U3的输出信号记为VAMP1，所述第三运算放大器U3的电源正引脚V+连接直流3.3V电源VDD3.3，外围电路中的第三电容C3一端连接直流3.3V电源VDD3.3，另一端接地，所述第四运算放大器U4的反相输入引脚IN-接地，所述第四运算放大器U4的同相输入引脚IN+连接所述第二运算放大器U2的输出信号VFIR2，所述第四运算放大器U4的电源负引脚V-接地，所述第四运算放大器U4在并行模式下的锁存引脚HOLD悬空，所述第四运算放大器U4的片选引脚CS与所述井下控制单元500连接，所述第四运算放大器U4的串行数据输入引脚DIN与所述第三运算放大器U3的串行数据输入引脚DIN连接，所述第四运算放大器U4的串行时钟引脚CLK与所述第三运算放大器U3的串行时钟引脚CLK连接，所述第四运算放大器U4的串行数据输出引脚DOU...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍辉，陈世春，冯强，肖松平，赵虹，
申请(专利权)人：中国石油集团渤海钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12