一種基于cmos開(kāi)關(guān)的聲波發(fā)射電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于石油聲波測(cè)井的聲波發(fā)射電路，尤其涉及一種基于CMOS開(kāi)關(guān)的聲波發(fā)射電路。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波測(cè)井已經(jīng)有80多年的歷史(何允祿.超聲測(cè)井儀回波信號(hào)檢測(cè)算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].湖北:華中科技大學(xué)，2012:1-5.)，是目前油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的一種重要方法。聲波發(fā)射電路是聲波測(cè)井中聲波(超聲波)的發(fā)射裝置。隨著測(cè)井技術(shù)朝著成像化、多參量、陣列化方向發(fā)展，聲波發(fā)射電路的功耗、性能和集成度直接影響井下儀器的性能和體積，聲波發(fā)射電路主要用來(lái)產(chǎn)生不同形式的聲波或超聲波，以滿足實(shí)際需要，常用的方法分為電容瞬間放電法、脈沖電源激勵(lì)法以及RLC諧振類方法，但這幾類方法需要為電路提供數(shù)百伏的脈沖電壓，功耗高，體積大，存在嚴(yán)重的安全隱患(孫凌逸，高欽和，蔡偉，等.低壓電源驅(qū)動(dòng)的超聲波發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(10):77-79.)。
[0003]電容瞬間放電電路是超聲波發(fā)射電路中最常用的模型，它利用電容的瞬間放電產(chǎn)生負(fù)脈沖，激發(fā)換能器發(fā)出超聲波，該類電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電損耗小，但需要直流高壓(馮江亮，肖定國(guó)，徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發(fā)/接收電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003 (I I): 30-32)，直流高壓可由逆變器、高壓電源模塊、開(kāi)關(guān)電源升壓電路等產(chǎn)生。
[0004]脈沖電源激勵(lì)電路將直流高壓瞬間加在超聲換能器上，產(chǎn)生正高壓脈沖，從而激發(fā)換能器發(fā)出超聲波。由于換能器的等效電阻較小，電源近似短路，流過(guò)電源的瞬間電流很大，所以對(duì)電源的過(guò)載能力要求很高，且電路功耗高，對(duì)檢測(cè)精度有較大影響(馮江亮，肖定國(guó)，徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發(fā)/接收電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003(11):30-32)。
[0005]RLC諧振超聲波發(fā)射電路由脈沖變壓器完成升壓和阻抗匹配工作，RLC并聯(lián)諧振產(chǎn)生高頻、高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)(隨衛(wèi)平，潘仲明，五躍科.一種新型的超聲換能器驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3):107-111)。由于采用諧振方式，激勵(lì)脈沖的高頻較穩(wěn)定，但需要變壓器升壓，電路體積較大，且發(fā)射電路的LC參數(shù)會(huì)隨溫度壓力變化發(fā)生漂移，導(dǎo)致發(fā)射的聲波信號(hào)發(fā)生頻偏。
[0006]目前常規(guī)聲波(超聲波)儀器的發(fā)射電路通常采用高壓?jiǎn)握}沖激發(fā)方式，主要問(wèn)題在于:(I)過(guò)高的發(fā)射電壓導(dǎo)致電路功耗增大(魯放，高紅軍，李劍.高性能超聲電視成像測(cè)井儀[J].測(cè)井技術(shù)，2009，33 (3):275-278)，因?yàn)殡娐返墓呐c發(fā)射電路的電源電壓平方成正比；(2)發(fā)射電路采用變壓器耦合，變壓器的使用會(huì)導(dǎo)致電路的體積較大(傅元，李德健.超聲掃描成像測(cè)井儀發(fā)射電路[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，9(9):21-24)，同時(shí)變壓器的轉(zhuǎn)換效率一般低于70% ；(3)在高溫高壓環(huán)境下，發(fā)射電路的LC參數(shù)值會(huì)隨溫度壓力變化發(fā)生漂移，導(dǎo)致發(fā)射的聲波信號(hào)發(fā)生頻偏；(4)高壓?jiǎn)握}沖激發(fā)方式的聲波到時(shí)檢測(cè)是采用首波聲幅門檻電平比較的方法，由于聲波在不同介質(zhì)中的衰減特性差異，聲波到時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確性受到檢測(cè)方法的影響(張珂，俞國(guó)華，劉鋼海.超聲波測(cè)距回波信號(hào)處理方法的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27(1):48-50)。
[0007]隨著聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，對(duì)聲波發(fā)射電路提出了越來(lái)越高的要求(原宏壯，陸大衛(wèi)，張辛耘，等.測(cè)井技術(shù)新進(jìn)展綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20(3):786-795)，主要表現(xiàn)在要求發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，功耗低，性能穩(wěn)定，便于相關(guān)聲波參數(shù)的提取。在現(xiàn)有的各類聲波測(cè)井儀器中，發(fā)射電路的體積和功耗通常占據(jù)儀器的主要部分，因此減小發(fā)射電路的體積，降低發(fā)射電路的功耗，提高發(fā)射信號(hào)的穩(wěn)定性就成為改善儀器性能和研發(fā)新儀器的關(guān)鍵因素之一。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有石油測(cè)井儀器聲波發(fā)射電路的缺點(diǎn)，提供一種高集成度、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的，能夠在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定工作的聲波(超聲波)發(fā)射電路。
[0009]為了解決上述問(wèn)題提供一種基于CMOS開(kāi)關(guān)的聲波發(fā)射電路。
[0010]實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:該電路包括充電電路和發(fā)射電路，所述充電電路由CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(8)、儲(chǔ)能電容C及外圍電路構(gòu)成，所述發(fā)射電路由CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(9)、換能器B及外圍電路構(gòu)成，所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(8)的Vss端與所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(9)的Vss端通過(guò)串聯(lián)電阻R2連接，所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(8)的Vdd端與所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(9)的V DD端、SlA端和S2B端連接。
[0011]進(jìn)一步地，充電電路的外圍電路包括所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片⑶的Vdd端與SlA端并聯(lián)再與電阻R5串聯(lián)接入電源+VC;S1B端與S2A端并聯(lián)接地；IN1端串聯(lián)電阻R6再接入電源+V。;IN2端與EN端并聯(lián)再與電阻R7串聯(lián)；所述儲(chǔ)能電容C’并聯(lián)接入所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(8)的Dl端、D2端和Vss端。
[0012]更進(jìn)一步地，發(fā)射電路的外圍電路包括所述CMOS集成開(kāi)關(guān)芯片(9)的Vdd端、SlA端和S2B端并聯(lián)再串聯(lián)電阻Rl接入電源+VC;V ss端與SlB端、S2A端并聯(lián)再串聯(lián)電阻R2接入電源-Vc;INl端串聯(lián)電阻R3 ；IN2端與EN端并聯(lián)再串聯(lián)電阻R4 ；D1端、D2端并聯(lián)電容C，所述換能器B與所述電容C并聯(lián)。
[0013]該電路體積小，效率高，在溫度壓力變化的環(huán)境下工作穩(wěn)定，并采用數(shù)字邏輯器件產(chǎn)生波形作為激勵(lì)信號(hào)，并能根據(jù)換能器諧振頻率的偏移調(diào)整發(fā)射信號(hào)頻率，不會(huì)因?yàn)闇囟葔毫ψ兓a(chǎn)生頻偏。在激發(fā)波形設(shè)計(jì)方面，可以根據(jù)需要，采用周期性的多脈沖發(fā)射，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)有效地抑制了噪聲干擾，提高了回波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0014]根據(jù)信號(hào)與通信調(diào)制理論([美]AlanV.0ppenheim.信號(hào)與系統(tǒng)[M].劉樹棠譯注.陜西:西安交通大學(xué)出版社，2008:420-422)，產(chǎn)生一個(gè)頻譜形狀與換能器傳輸特性匹配的基帶信號(hào)e (t)，它是一個(gè)寬度為1；的單脈沖，基帶的主瓣帶寬為1/T s, 2/%略大于換能器的通帶；然后用e(t)去調(diào)制一個(gè)頻率為換能器中心頻率f。的正弦載波信號(hào)c (t)=sin(2 fet),形成已調(diào)信號(hào)s(t) = e(t)sin(2 fet)。已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形長(zhǎng)度為Ts、頻率為f。的子波，頻譜即為基帶信號(hào)e(t)的頻譜搬移到f。的結(jié)果，它的頻譜帶寬恰好覆蓋換能器的通帶，將已調(diào)信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，稱為激發(fā)子波信號(hào)。
[0015]要實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)與換能器傳輸特性的最佳匹配，發(fā)射子波的頻率f。要等于換能器的中心頻率，發(fā)射子波長(zhǎng)度Ts的選擇應(yīng)使子波激發(fā)信號(hào)的帶寬略大于換能器的帶寬，即使2/%略大于換能器的帶寬。1\選得過(guò)小，會(huì)使子波帶寬過(guò)大，發(fā)射信號(hào)中的無(wú)效頻譜分量增加；TS選的過(guò)大，又會(huì)在收發(fā)一體的超聲反射測(cè)井時(shí)導(dǎo)致發(fā)射子波信號(hào)的尾部與最近距離回波信號(hào)的首波交疊，形成干擾，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。
[0016]基于上述激發(fā)子波的設(shè)計(jì)原理，為了使發(fā)射電路盡可能簡(jiǎn)單，以便提高其集成度，提出了基于CMOS集成開(kāi)關(guān)的雙極性電源驅(qū)動(dòng)的超聲信號(hào)激發(fā)電路實(shí)現(xiàn)方案，基本思路是用一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Ts(主瓣雙邊帶帶寬恰好覆蓋換能器通帶)的單脈沖去調(diào)制一個(gè)頻率等于換能器中心頻率f。、占空比相同、幅度滿足信號(hào)檢測(cè)能量需求的雙極性脈沖序列，代替去調(diào)制頻率為f。的正弦波。
[0017]本實(shí)用新型首先設(shè)計(jì)了基于CMOS開(kāi)關(guān)的雙極性電源驅(qū)動(dòng)的聲波發(fā)射電路，即發(fā)射電路部分，但是獲取雙極性的高溫集成電源芯片卻比較困難，而溫度性能達(dá)到170°C的單極性高溫集成電源芯片是可以得到的，因此，為了解決獲取雙極性的高溫集成電源芯片比較困難的問(wèn)題，在上述雙極性電源驅(qū)動(dòng)的發(fā)射電路基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種基于CMOS集成開(kāi)關(guān)的單極性電源到雙極性電源的轉(zhuǎn)換電路，即充電電路部分。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果:
[0019]采用常壓幅度的子波激發(fā)代替高壓窄脈沖激發(fā):通過(guò)發(fā)射信號(hào)頻譜與聲波換能器通帶匹配，提高了發(fā)射信號(hào)的利用率；通過(guò)激發(fā)子波信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，降低了發(fā)射電壓幅度，實(shí)現(xiàn)能量積累，消除了干擾。
[0020]電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集