2024年4月3日发(作者：司寇莺莺)
一种多通道微弱电流信号检测电路的设计与实现
徐杰，孙向阳，于增辉，王芝江
电子电路设计与方案
（1.电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都，611731；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊，065201）
基金项目：国家重点研发计划2016YFC0303502；国家自然科学基金61727803；国家科技重大专项《高温高压多频电成像测井技术与仪
器》（2017ZX05019003-003）。
摘要：针对微电阻率电成像测井仪井下电流微弱、动态范围大等特点，设计了一种具有大动态范围、对电流有高灵敏度的采集电路。设计
包含电流信号处理电路、放大滤波电路、模数转换电路；电路有序完成了25路通道的采集，上传模值后并由数字相敏检波得到其幅度信
息。通过实验测试证明，电路能够对有效值为0.7nA的电流仍有一定的分辨能力，测量动态范围达125dB。
关键词：微电阻率；成像测井；微弱电流；大动态范围
0 引言
电流信号而言更简便且更常用，故在通道采集后，需要对输
入的电流信号进行处理，将其转换为电压信号，方便后续的
处理；由于电路需要具备测量大动态范围信号的能力，电路
设计上选择两档增益变换，以此适应不同范围地层电阻的测
量，此外还需要考虑模数转换器测量范围、运算放大器的输
出电压限制，所以增益的选取不能过大，过大的增益会导致
输出信号超量程，或运算放大器输出削顶，使得测量数据不
准确。在第一级较大增益差之后，第二级放大设计了两档增
益较小的电路，该级电路在测量时与前一级相结合，在不同
环境下，可以通过组合的方式选取更为合适的测量档位，由
于第一级放大电路为主要工作电路，第二级为辅助电路，故
本文中主要阐述第一级放大电路的设计，第二级放大电路不
再叙述。
代测井技术通过采集此类物理量，并进行一些信号处理及电
路处理，便能够采集到地层丰富的信息。与传统的测井技术
相比较，电成像测井技术在储层的识别、裂缝的分析等方面
具有更为明显的优势，在油田勘探开发中发挥着重要作用。
微电阻率电成像测井的主要原理是通过电极与井壁接触，使
发射激励与井壁之间形成回路，通过采集电极上的电信息来
获取地层的电阻率信息，并通过该电阻率变化呈现出地层的
图像。但是若地层电阻很大时，采集到的电流信号幅度会相
依托着电、声、核、磁等物理量及相应的物理原理，现
当的小，往往是纳安级别的电流，而倘若地层电阻很小时，
微弱电流信号具有较高的灵敏度。本文阐述了电路设计的
采集电路。
采集到的电流幅值又可能是毫安级别的信号，因此要求仪
器能够适应大动态范围的电流测量，并且能够对纳安级的
思路及方法，实现了一种高灵敏度、大动态范围测量能力的
2 电流信号处理设计
1 电路总体设计方案
转变为电路中更易处理的电压信号，以此方便后续电路对信
号的处理。其实现方式如图2所示。
R0
U=K×I
I
电流信号处理电路的作用在于将所采集到的电流信号
号为2kHz正弦信号，每个通道采集2.5个周期信号，由
FPGA对模数转换电路进行采集时序的控制，并向上位机上
传所采模值，电路整体设计方案如图1所示。
由于电极所采集到的信息为激励信号经地层回流的电
采集电路需完成对25路电极通道的有序采集，激励信
电压转换电路
U
AC
图2 电流信号处理框图
流信号，而在电路的信号处理上，处理电压信号相较于处理
1号纽扣
正弦信号，R0为地层模拟电阻，即输入到电流转换电路中
的信号便是系统所需要采集的电流信
号，信号经过电压转换电路后，输出
FPGA
数据
上位机通信
控制
其中AC为外部发射电路所给出的频率为2kHz的激励
电
流
信
号
处
理
通
道
选
通
25号纽扣
一
级
滤
波
放
大
电
路
高增益
低增益
增
益
选
通
二
级
滤
波
放
大
电
路
AD转换1
数据
信号为电压信号，其电流与电压的关
系式为：
U=K×I
式中K为流压转换比，其值代表
图1 系统总体设计框图
...
...
AD转换2
控制
(1)
了电流转换到电压后的比例关系，在
后级的放大电路确定了增益后，此处
www�ele169�com
2024年4月3日发(作者：司寇莺莺)
一种多通道微弱电流信号检测电路的设计与实现
徐杰，孙向阳，于增辉，王芝江
电子电路设计与方案
（1.电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都，611731；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊，065201）
基金项目：国家重点研发计划2016YFC0303502；国家自然科学基金61727803；国家科技重大专项《高温高压多频电成像测井技术与仪
器》（2017ZX05019003-003）。
摘要：针对微电阻率电成像测井仪井下电流微弱、动态范围大等特点，设计了一种具有大动态范围、对电流有高灵敏度的采集电路。设计
包含电流信号处理电路、放大滤波电路、模数转换电路；电路有序完成了25路通道的采集，上传模值后并由数字相敏检波得到其幅度信
息。通过实验测试证明，电路能够对有效值为0.7nA的电流仍有一定的分辨能力，测量动态范围达125dB。
关键词：微电阻率；成像测井；微弱电流；大动态范围
0 引言
电流信号而言更简便且更常用，故在通道采集后，需要对输
入的电流信号进行处理，将其转换为电压信号，方便后续的
处理；由于电路需要具备测量大动态范围信号的能力，电路
设计上选择两档增益变换，以此适应不同范围地层电阻的测
量，此外还需要考虑模数转换器测量范围、运算放大器的输
出电压限制，所以增益的选取不能过大，过大的增益会导致
输出信号超量程，或运算放大器输出削顶，使得测量数据不
准确。在第一级较大增益差之后，第二级放大设计了两档增
益较小的电路，该级电路在测量时与前一级相结合，在不同
环境下，可以通过组合的方式选取更为合适的测量档位，由
于第一级放大电路为主要工作电路，第二级为辅助电路，故
本文中主要阐述第一级放大电路的设计，第二级放大电路不
再叙述。
代测井技术通过采集此类物理量，并进行一些信号处理及电
路处理，便能够采集到地层丰富的信息。与传统的测井技术
相比较，电成像测井技术在储层的识别、裂缝的分析等方面
具有更为明显的优势，在油田勘探开发中发挥着重要作用。
微电阻率电成像测井的主要原理是通过电极与井壁接触，使
发射激励与井壁之间形成回路，通过采集电极上的电信息来
获取地层的电阻率信息，并通过该电阻率变化呈现出地层的
图像。但是若地层电阻很大时，采集到的电流信号幅度会相
依托着电、声、核、磁等物理量及相应的物理原理，现
当的小，往往是纳安级别的电流，而倘若地层电阻很小时，
微弱电流信号具有较高的灵敏度。本文阐述了电路设计的
采集电路。
采集到的电流幅值又可能是毫安级别的信号，因此要求仪
器能够适应大动态范围的电流测量，并且能够对纳安级的
思路及方法，实现了一种高灵敏度、大动态范围测量能力的
2 电流信号处理设计
1 电路总体设计方案
转变为电路中更易处理的电压信号，以此方便后续电路对信
号的处理。其实现方式如图2所示。
R0
U=K×I
I
电流信号处理电路的作用在于将所采集到的电流信号
号为2kHz正弦信号，每个通道采集2.5个周期信号，由
FPGA对模数转换电路进行采集时序的控制，并向上位机上
传所采模值，电路整体设计方案如图1所示。
由于电极所采集到的信息为激励信号经地层回流的电
采集电路需完成对25路电极通道的有序采集，激励信
电压转换电路
U
AC
图2 电流信号处理框图
流信号，而在电路的信号处理上，处理电压信号相较于处理
1号纽扣
正弦信号，R0为地层模拟电阻，即输入到电流转换电路中
的信号便是系统所需要采集的电流信
号，信号经过电压转换电路后，输出
FPGA
数据
上位机通信
控制
其中AC为外部发射电路所给出的频率为2kHz的激励
电
流
信
号
处
理
通
道
选
通
25号纽扣
一
级
滤
波
放
大
电
路
高增益
低增益
增
益
选
通
二
级
滤
波
放
大
电
路
AD转换1
数据
信号为电压信号，其电流与电压的关
系式为：
U=K×I
式中K为流压转换比，其值代表
图1 系统总体设计框图
...
...
AD转换2
控制
(1)
了电流转换到电压后的比例关系，在
后级的放大电路确定了增益后，此处
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