核磁共振测井仪AD转换电路设计.pdf

口经验交流口 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 0 0 6 0 2 9 核磁 共振 测井仪 A D转换 电路设计 薛志波，张嘉伟 ，张儒 ， 宋公仆 ( 中海油田服务股份有限公司 技术中心 ， 北京 1 0 1 1 4 9 ) 摘要 ：本文首先介绍 了核磁共振测 井回波信号的特殊性及其对 电路设 计的较高要求， 然后 。 重点通过对 AD转换 电路分辨率性能的计算与评 估 。 确定 了使用外部高性能低 T C电压基 准源 的设计方案 。 并就 AD转 换 电路的设计原则进行了阐述 。 最终形成 电路设计原理图。 关键词 ： 核磁共振 ； A I D转换分辨率 ： 基准 电压源 中图分类号 ： T N 9 1 2 文献标志码：B De s i g na t i o n wi t h AD c i r c ui t i n n uc l e a r ma g n e t i c r e s o n a nc e l o g g i ng t o o l XU E 2 - b o ， zl I ANG J i a - we i 。 Z HA NG Ru， S o G Go n g p u ( R&D C e n ter ， C h ma Oi l fi e l d S e r v e s Li mi t e d C o r p o r a t i o n ， B e l j i n g 1 0 1 1 4 9 I C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th i s p a p er f i r s t l y int r o du c e s t h e pa r t ic ula r it y o f t h e nu c le ar ma g n e t ic r e s o n a n c e( N MR)lo g g i n g e c h o s i g n a l a n d t h e h ig h e r r e qu ir e men t f o r c i r c u it d es ig nTh e n t h e AD c on v e i n g c ir c u it r es o l u t i o n pe rf or man c e i s c a lc ula t ed a n d e v a l u a t e dTh e d e sig n a t ion o f us e e x t er n a l p e rfo r ma n c e I o w TC v o lt a g e r e f e r en c e is d e t er min e d an d t h e AD t r a n s f or m c i mu R de s i g n p ri n c i p l e s ar e e x p ou n d e dFi n a l ly t h e c i r - c u it p r i n c i p le dia gr am is d e sig n e d。 Ke y wor d s：n u c l e a r ma gn e t ic r e s o n an c e；AD c on ve r es olu t ion；r e f - e r en c e v olt ag e s o ur c e O问题的提 出 核磁共振测井是一种适用于裸眼井的测井新技术， 是目前唯 一 可以直接测量任意岩性储集层 自由流体( 油、 气、 水) 渗流体积 特生的测井方法， 有明显的优越性” J 。目前， 国外的核磁共振测井 仪经过 1 0多年的研究已经投人商业应用， 国内的相关行业也在紧 张的研制中。该项技术的研制难度较大， 因为核磁共振跃迁中能 量子极为微弱， 导致信号灵敏度很低， 而且被测样品很快进入饱和 区， 即使再增加射频激发场的强度， 也无法增强回波信号的幅度， 回波信号的幅度范围从数十纳伏到数十微伏， 而解释系统的反演 算法对信号的信噪比又提出了较高的要求， 大数据量高速采样也 是要求之一 。因此， 必须全面分析推导核磁共振仪器的信噪比 公式， 有针对性的提高信噪比， 对于电路部分来说， 接收系统的 噪声系数 F和接收系统的有效噪声带宽f ， 是主要要解决的， 因 为这些是由电路本身决定的， 他们都要低， 回波信号的信噪比 才会高， 必须在电路设计时尽可能的降低噪声系数和有效噪 声带宽。信号采集的 A D转换电路是仪器电路设计非常重要 的一环， 从这 一点上做 文章， 可 以有效 的提高信号 的信噪 比 j 。下面详细叙述 A D转换电路的设计过程。 1 A D 9 2 2 5模数转换芯片介绍 仪器仪表用户 A D 9 2 2 5是 A D I 公司生产的单芯片、 单 电源供电、 1 2位精 度、 采样速率达 2 5 Ms p s 的高速模数转换器 ， 片内集成高性能的 采样保持放大器和参考电压源。A D 9 2 2 5采用带有误差校正 逻辑的四级 差分流水结构， 内置输 出纠错逻辑 ， 以保证在 2 5 M s p s 采样率下获得精确的 l 2位数据， 在整个工作温度范围 内无失码。除了最后一级 ， 每一级都有一个低分辨率的闪速 A D与一个放大器相连。此放大器用来放大重建 D A C的输出 和下一级闪速 A D的输入差 ， 每一级的最后一位作为冗余位， 以校验数字误差。A D 9 2 2 5有高度灵活的输入结构， 可以方便地 和单端或差分输入信号进行连接。采用单端输入时， V I N A可通 过直流或交流方式与输入信号耦合， V I N B要偏置到合适的电压； 采用差分输入时， V I N A和V I N B要由输入信号同时驱动 。 A D 9 2 2 5的一些重要参数如表 1 、 表 2所示。 表 1 DC S P EC I F I C A T I ONS P a r a m e t e r Min 挪 M “ U I I i ts RE S OL U T 1 0 N 1 2 t 8 MAX C O NV E RS 1 0N R A TE 2 5 MHz I NP U T R EF E RR E D NO I S E V RE F=1 0 V 0 3 5 L S B n n s VR EF：2 0 V 0 1 7 L S B r ln $ ACCURACY I n t e g r a l N o n l i n e a ri t y ( I N L) 1 O 2 5 L S B D iff e r e n t i a l N o n l i n e a r i t y ( DN L) 0 4 1 O L S B A N AI DG I NP UT I n p u t C a p a c it a n c e 1 0 p F I N T E R A L VO I |T A G E RE F E R E NC E O u tp u t C u r r e n t ( Av a i l a b l e f o r E x te r n a l L o a d s ) 1 0 mA L 0 a d R e g u l a t i o n 1 O 3 4 mV l mA Ou tpu t Vo l t a g e T o l e r a n c e ( 2 0 V Mo d e ) 1 0 士3 5 mV I n it i al Ac c u r a c y 1 4 D 6 I ( T C) 2 6 p p m ： 表 2 A C S P E C I F I C A 1 1 0 N S P a r a me te r Mi n T y p Ma x U n i t s S I N AD( s ( N+D) ) N P I IT= 2 5 MHz 6 7 4 7 0 7 d B f iN P u T=I O MH z 6 6 7 6 9 6 d B S NR f in P U T= 2 5 MHz 6 9 0 7 1 d B N P U T=1 0 MH z 6 8 2 7 0 d B T OT AL HA RMO NI C D I S T O R T I ON( T HD) f i N P u T=2 5MHz 一8 2 72 f 1N P =1 0 MH z 一8 l 7 1 5 说明： 以上列举 A D C的主要性能参数， 完整参数说明请参 见 A D 9 2 2 5数据手册。 2 李仁军 ， 刘宏 昭， 李鹏飞 平 面可控机 构运动轨迹 的计 算机视 觉检 测 J 农业机械学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 8 ) ： 1 6 1 - 1 6 3 ， 1 6 8 3 段德山 工件非接触检 测中机器视 觉的研究 与应用 D 北 京 ： 北 京邮电大学 ， 2 0 o 7 4 林朝朋， 许晓春 计算机视觉检测技术在食品物流中的应用与展望 J 食品科学， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 1 ) ： 5 4 3 - 5 4 7 5 D a v i d A F o r s y t h ， J e a n P o n c e 林学阎等译 计算机视觉 一 一种现代 方法 M 电子工业出版社 ， 2 0 0 4 6 6 EI C VO l J 1 7 2 01 0 NO 6 6 吴伟伟， 王小红， 周亚南 字符识别中两种改进的模板匹配算法 J 传感器世界 ， 2 0 0 8 ， ( 6 )： 3 5 - 3 7 7 王向军， 王以忠， 郑义忠 利用 O R L C编码实现任意形状工件的快 速识别 J 宇航计测技术 ， 1 9 9 7， 1 7 ( 2 ) ： 2 作者 简介 ： 王 以忠 ( 1 9 6 3 ) 。 男， 教授 ， 博士。 研究 方 向： 激 光及光 电测试 技 术、 数 字化测控技术。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -0 4 -05 欢迎光临本刊网站 h t t p ： w w w e i c c o m c n 仪器仪表用户 2 分辨率性能计算与评估 对于 A D C而言 ， 在选型和电路设计阶段需要满足许多限 制， 做出许多判断。其中包括分辨率、 转换速率、 输入信号范 围、 被采集信号输出阻抗匹配、 低功耗还有噪声。在这些指标 中， 分辨率是一个不仅理论值和实际值差异大而且关联指标众 多的指标， 它会因为基准电压源、 缓冲放大器和滤波器的不同 组态而发生较大的变化， 选择一个具有 1 2位分辨率的 A D C， 并 不意味着所设计的数据采集系统就拥有 了 1 2位的分辨率， 非 线性误差( I N L ) ， 偏移和增益误差、 基准源的误差、 噪声还有交 流性能指标都会影响 A D C的实际分辨率 。相对而言， 其它 指标如转换速率， 基本与模拟信号采集链路的其它部分无关 ， 一 经选定 ， 即可确认。因此， 此部分主要工作是 A D C实际分辨 率的计算。另外 ， 对于低噪声应用 ， A D C的实际分辨率直接反 映了噪声性能， 实际分辨率越高， 噪声越小， 故对实际分辨率的 评价包含了对噪声性能的评价。 2 1 计算说明 实际分辨率的定义是模糊的， 它包含了 A D C的无噪声码 分辨率 N F C R( N o i s eF r e e C o d e R e s o l u t i o n ) 和有效 分辨率 E N O B ( E ff e c t i v e r e s o l u t i o n ) 的综合影响。无噪声码分辨率 N F C R是指超过它就不能清楚地分辨单个编码的分辨率位数 ， 用 于测量在直流输入条件下的 A D C噪声 ， 主要是 D N L和基准电 压源的温度漂移误差， 并没有考虑量化噪声的影响。在计算 E N O B时， 其噪声源不仅包含输入参考噪声而且包含量化噪声 和失真噪声， 因此 S I N A