信號(hào)完整性測(cè)試技術(shù)研究

西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張家田

西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寶雞文理學(xué)院 侯永春

1.引言

石油測(cè)井行業(yè)中對(duì)井下的測(cè)試數(shù)據(jù)精度要求比較高，石油測(cè)井中采用多支井下儀器組合測(cè)井，電纜遙測(cè)井下儀（TCC）是石油測(cè)井系統(tǒng)中關(guān)鍵儀器之一，它與大多數(shù)井下儀器配接完成測(cè)井作業(yè)，傳統(tǒng)的電纜遙測(cè)井下儀采用中小規(guī)模集成電路和分立元件設(shè)計(jì)，其穩(wěn)定性，可靠性和抗干擾能力都較差。為了完成測(cè)井地面儀器與井下儀器之間大量數(shù)據(jù)高速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳輸，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)完整性[1，2]的測(cè)試是十分有必要的。因此，本文采用agilent6000示波器對(duì)電纜遙傳系統(tǒng)井下TCC電路的信號(hào)完整性進(jìn)行了測(cè)試。

2.電纜遙測(cè)井下儀（TCC）

電纜遙測(cè)井下儀（Telemetry Cable Communicstion，TCC）是數(shù)控石油測(cè)井系統(tǒng)中關(guān)鍵儀器之一，它與大多數(shù)井下儀器配接完成測(cè)井作業(yè)，是電纜謠傳系統(tǒng)不可或缺的部分，其外部關(guān)系接口示意圖如圖1所示。

2.1 井下儀器母線（DTB）[3，4]

井下遙測(cè)單元送出的DTB總線有3根同軸電纜與3個(gè)56歐電阻組成。三根母線與各井下儀器相連。這三根線分別是UDATA/GO線（向上數(shù)據(jù)/GO）線，UCLK線（向上時(shí)鐘）線，DSIG（向下信號(hào)）線。

2.1.1 UDATA/GO線（向上數(shù)據(jù)/GO）線

UDATA/GO母線是雙向的。為了保證一個(gè)新的幀的開(kāi)始，所有儀器都要監(jiān)視UDATA/GO線上的GO信號(hào)（準(zhǔn)備脈沖信號(hào)）。GO信號(hào)是由數(shù)傳伽馬短接在UDATA/GO線上發(fā)送的一個(gè)3.6V正脈沖。每幀開(kāi)始時(shí)，井下遙測(cè)單元通過(guò)UDATA/GO母線，發(fā)出GO脈沖，通知各井下儀器，做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。然后，各井下儀器就在UCLK的選通下，儀器將數(shù)據(jù)按1.2V電平為1，零電平為0的方式依次把數(shù)據(jù)送至UDATA/GO母線，向上傳送。每幀開(kāi)始時(shí)，井下遙測(cè)單元發(fā)出GO脈沖，320us后，便向第一個(gè)井下儀器發(fā)上傳時(shí)鐘信號(hào)（UCLK母線）。UCLK的下降沿把第一個(gè)井下儀器的數(shù)據(jù)一位一位地選通到UDATA/GO母線上。第一個(gè)井下儀器的數(shù)據(jù)被選通完以后，UCLK就送到第二井下儀器，直到把所有井下儀器的數(shù)據(jù)選通完，井下遙測(cè)單元就停止發(fā)上傳時(shí)鐘UCLK。要注意的是，當(dāng)井下儀器不被選通數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)輸出線應(yīng)處于高阻狀態(tài)。

2.1.2 UCLK（向上時(shí)鐘）線

UCLK是上傳時(shí)鐘母線，它可把各井下儀器的數(shù)據(jù)選通到UDATA/GO母線上去。各井下儀器是順序傳送數(shù)據(jù)的，故UCLK母線以“菊花鏈”方式，與各井下儀器相連。每幀開(kāi)始時(shí)，UCLK先接到第一個(gè)井下儀器。第一個(gè)井下儀器送完數(shù)據(jù)后，UCLK就被接到第二個(gè)井下儀器。依次類推，直至把最后一個(gè)井下儀器的數(shù)據(jù)送完為止。向上時(shí)鐘是一串1.2V的脈沖波，其周期為10us，脈寬為5us。

3.TCC電路信號(hào)完整性的測(cè)試

3.1 TCC電路測(cè)試總體設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用agilent6000示波器電纜遙傳系統(tǒng)井下TCC電路的信號(hào)完整性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)電纜遙傳系統(tǒng)井下TCC電路中GO和UCLK信號(hào)的串?dāng)_及眼圖參數(shù)的完整性測(cè)量，從而對(duì)測(cè)井地面儀與井下儀之間大量數(shù)據(jù)是否高速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳輸做出明確的判斷。井下TCC電路信號(hào)測(cè)試的連接示意框圖如圖2所示。

3.2 振幅測(cè)試

3.2.1 幅度

分別打開(kāi)1、2通道，關(guān)閉其他通道，調(diào)整GO、UCLK脈沖信號(hào)，使其處于示波器合適位置，按Display按鈕，選擇Persist，一段時(shí)間后，再在示波器面板上按下Quick Meas，選擇Amplitude測(cè)試，再按Measure Ampl按鈕，觀測(cè)波形如圖3所示。

3.2.2 過(guò)沖和欠沖

過(guò)沖是指電平在跳變時(shí)超過(guò)規(guī)定跳變電平的部分，單位為V、mV或者百分比。它通常可以分為正過(guò)沖和負(fù)過(guò)沖，正過(guò)沖是指電平在由低電平跳變?yōu)楦唠娖胶蟪^(guò)高電平的部分，負(fù)過(guò)沖是指電平在由高電平跳變?yōu)榈碗娖胶蟪^(guò)低電平的部分。欠沖正好相反，是指電平在跳變時(shí)少于規(guī)定跳變電平的部分，通常可以分為正欠沖和負(fù)欠沖，正過(guò)沖是指電平在由低電平跳變?yōu)楦唠娖胶笊儆诟唠娖降牟糠郑?fù)欠沖是指電平在由高電平跳變?yōu)榈碗娖胶笊儆诘碗娖降牟糠帧＿^(guò)分的過(guò)沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過(guò)早地失效，嚴(yán)重的還會(huì)損壞器件。過(guò)分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。它們可以通過(guò)增加適當(dāng)端接來(lái)予以減少或消除。

打開(kāi)1、2通道，關(guān)閉其他通道，調(diào)整GO、UCLK脈沖信號(hào)，使其處于示波器合適位置，按Display按鈕，選擇Persist，一段時(shí)間后，再在示波器面板上按下Quick Meas，選擇Overshoot測(cè)試，再按Measure overshoot按鈕，觀測(cè)波形圖4、5、6所示。

圖1 外部關(guān)系接口示意圖

圖2 井下TCC電路信號(hào)測(cè)試的連接示意框圖

表1 振幅測(cè)試結(jié)果

表2 時(shí)間測(cè)試結(jié)果

圖3 UCLK信號(hào)的幅度波形圖

圖4 GO信號(hào)的過(guò)沖波形圖

圖5 UCLK信號(hào)的過(guò)沖波形圖

圖6 UCLK信號(hào)的欠沖波形圖

圖7 GO信號(hào)波形圖

3.3 時(shí)間測(cè)試

圖8 UCLK信號(hào)波形圖

打開(kāi)1、2通道，關(guān)閉其他通道，調(diào)整GO、UCLK脈沖信號(hào)，使其處于示波器合適位置，按Display按鈕，選擇Persist，一段時(shí)間后，再在示波器面板上按下Quick Meas，選擇Period測(cè)試，再按Measure Period按鈕，觀測(cè)波形如圖7、8所示。

4.測(cè)試結(jié)果分析[5，6]

4.1 振幅測(cè)試結(jié)果及分析

過(guò)沖與欠沖百分比計(jì)算公式分別為：

edge overshoot= local Maximum-Basc/Amplitude×100

edge undershoot=Base-local Minimum/Amplitude×100

GO線上發(fā)送的一個(gè)3.6V正脈沖。實(shí)測(cè)值為3.56V，誤差為1.2%，GO脈沖下降沿過(guò)沖過(guò)大，是由于下降沿時(shí)間過(guò)短造成的，其目的是為了保證GO脈沖下降沿結(jié)束后，320us時(shí)，向第一個(gè)井下儀器發(fā)上傳時(shí)鐘信號(hào)（UCLK母線）的精確度，從而導(dǎo)致過(guò)沖的大幅上升。

向上時(shí)鐘UCLK是一串1.2V的脈沖波，實(shí)測(cè)值為1.27V，誤差為5.8%，UCLK信號(hào)的過(guò)沖都為19.8%，但是寬度都小于，都不會(huì)影響到判定信號(hào)。

4.2 時(shí)間測(cè)試結(jié)果分析

向上時(shí)鐘UCLK其周期為10us，脈寬為5us，其理論占空比為50%，測(cè)試值為53.8%，高速時(shí)鐘信號(hào)可靠性和穩(wěn)定性能得以保證；由測(cè)試結(jié)果可知兩路信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間都非常的短暫，能很好的滿足分時(shí)傳輸原理，保證電纜遙傳系統(tǒng)的高精度測(cè)試。

5.結(jié)語(yǔ)

本文利用示波器實(shí)現(xiàn)了電纜遙傳系統(tǒng)井下信號(hào)完整性的測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果分析來(lái)看，該井下電纜遙傳短接可以確保井下儀器信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集，處理和傳輸。因此，利用高精度示波器進(jìn)行信號(hào)完整性的測(cè)試是完全可行的。

[1](美)伯格丁著.李玉山等譯.信號(hào)完整性分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]夏軍成.高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,26(4):10-11.

[3]測(cè)井學(xué)編寫(xiě)組.測(cè)井學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998,12:319-334.

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[5]孫宇貞.高速電路的信號(hào)完整性分析.電子技術(shù)應(yīng)用[J].2005,12(3):73-76.

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