超低频大功率信号源设计

摘要

大功率超低频激励信号源是过套管地层电阻率测井模型机的主要组成部分之一。把超低频激励信号加在金属套管上，金属套管上就会产生一个微小的电压降，该电压降是由地层电流引起的，通过检测该电流来计算地层的电阻率。激励信号源的电流越大，测量的精度就越高，故应增大信号源的电流值，但考虑到测井电缆上的损耗，电流不能太大，要求激励电流在0.5～6A。由激励信号的频率与趋肤深度关系表可知激励信号源的频率一般保持在10Hz以下。降落到电缆上的电压范围为-150V～+150V，所以要求激励信号源输出的电压幅值从-300V～+300V，综上所述，本设计中对信号源的指标要求为频率在10Hz以下并具有较高的稳定度，输出电压动态范围为±300V。 本文介绍了过套管电阻率测井技术的发展及原理。并根据激励信号的频率特性和幅值特性，设计了超低频大功率激励信号源方案。本方案分两大部分，第一部分为超低频正弦信号的生成，根据信号源的频率特性采用最新的频率合成技术即直接数字频率合成技术(DDS)，来合成超低频正弦信号，并对合成的信号进行差分放大、低通滤波等相关调理;第二部分为大功率电压源的设计，其核心模块为单相H桥逆变电路。围绕着单相H桥逆变电路又设计了新型Boost变换器和SPWM波形调制及整形电路模块，新型Boost变换器用来保证单相H桥电路输入端的电压值。DDS输出的低频正弦信号和三角波进行调制，生成控制H桥电路的SPWM波形，最后根据输出的SPWM波形的谐波特性，设计了二阶巴特沃斯滤波器，滤除掉高频分量。 经过试验验证，该信号源输出频率的稳定度在0.01％内;电流稳定度在0.01％内;输出电压幅值范围达到了±300V，当阻感性负载为50Ω时，电流值可达到6A，满足设计要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 过套管电阻率测井发展概况

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 过套管电阻率测井原理

1．4 本论文主要的研究内容

1．4．1 本文体系结构

第二章 信号源的特性及总体设计方案

2．1 激励信号源的特性

2．1．1 激励信号源的频率特性

2．1．2 激励信号源的幅值特性

2．2 系统总体设计方案

2．2．1 系统设计思想

2．2．2 系统设计总体框图

第三章 DDS技术的基本理论

3．1 直接数字频率合成

3．1．1 正弦信号生成的原理

3．1．2 直接数字频率合成基本原理

3．1．3 直接数字频率合成器的组成及工作过程

3．2 DDS的输出频谱特性

3．2．1 DDS的理想输出频谱

3．2．2 DDS的实际输出频谱分析

3．3 本章小结

第四章 硬件系统的设计

4．1 超低频正弦信号源硬件设计

4．1．1 单片机主控电路的硬件设计

4．1．2 DDS电路的设计

4．2 大功率电压源的硬件设计

4．2．1 H桥逆变电路

4．2．2 新型Boost变换模块

4．2．3 三角波模块硬件电路设计

4．2．4 比较器模块硬件电路设计

4．2．5 驱动模块硬件电路设计

4．2．6 单相H桥电路硬件设计

4．2．7 滤波器的硬件电路设计

4．3 本章小结

第五章 系统软件设计

5．1 系统总体流程设计

5．2 单片机控制程序设计

5．2．1 键盘扫描程序设计

5．2．2 SPI程序设计

5．2．3 AD采集程序设计

5．2．4 UART程序设计

5．2．5 数据处理程序设计

5．3 DDS程序设计

5．3．1 AD9834的初始化

5．3．2 DDS数据源选择

5．3．3 DDS数据写入

第六章 系统调试

6．1 超低频正弦信号的产生

6．1．1 信号输出波形

6．1．2 信号频率稳定度的计算

6．2 超低频大功率信号源输出信号测试

6．2．1 输出频率稳定性测试

6．2．2 输出电流稳定性测试

6．2．3 输出电压幅值测试

结论

致谢

参考文献

攻读硕士之间发表的论文