【信号完整性测试技术研究】信号完整性测试

来源:网页设计 发布时间:2019-05-15 03:46:42 点击:

  【摘要】利用示波器实现了电缆遥传系统井下信号完整性的测试,并分析测试结果。测试结果表明,该井下电路信号完整性良好,可以确保井下仪器信号数据实时、准确的传输。同时也表明,利用高精度仪器进行信号完整性的测试是可行的。
  【关键词】示波器;遥传系统;信号完整性;井下电路
  1.引言
  石油测井行业中对井下的测试数据精度要求比较高,石油测井中采用多支井下仪器组合测井,电缆遥测井下仪(TCC)是石油测井系统中关键仪器之一,它与大多数井下仪器配接完成测井作业,传统的电缆遥测井下仪采用中小规模集成电路和分立元件设计,其稳定性,可靠性和抗干扰能力都较差。为了完成测井地面仪器与井下仪器之间大量数据高速、实时、准确的传输,对其进行信号完整性[1,2]的测试是十分有必要的。因此,本文采用agilent6000示波器对电缆遥传系统井下TCC电路的信号完整性进行了测试。
  2.电缆遥测井下仪(TCC)
  电缆遥测井下仪(Telemetry Cable Communicstion,TCC)是数控石油测井系统中关键仪器之一,它与大多数井下仪器配接完成测井作业,是电缆谣传系统不可或缺的部分,其外部关系接口示意图如图1所示。
  2.1 井下仪器母线(DTB)[3,4]
  井下遥测单元送出的DTB总线有3根同轴电缆与3个56欧电阻组成。三根母线与各井下仪器相连。这三根线分别是UDATA/GO线(向上数据/GO)线,UCLK线(向上时钟)线,DSIG(向下信号)线。
  2.1.1 UDATA/GO线(向上数据/GO)线
  UDATA/GO母线是双向的。为了保证一个新的帧的开始,所有仪器都要监视UDATA/GO线上的GO信号(准备脉冲信号)。GO信号是由数传伽马短接在UDATA/GO线上发送的一个3.6V正脉冲。每帧开始时,井下遥测单元通过UDATA/GO母线,发出GO脉冲,通知各井下仪器,做好传送数据的准备。然后,各井下仪器就在UCLK的选通下,仪器将数据按1.2V电平为1,零电平为0的方式依次把数据送至UDATA/GO母线,向上传送。每帧开始时,井下遥测单元发出GO脉冲,320us后,便向第一个井下仪器发上传时钟信号(UCLK母线)。UCLK的下降沿把第一个井下仪器的数据一位一位地选通到UDATA/GO母线上。第一个井下仪器的数据被选通完以后,UCLK就送到第二井下仪器,直到把所有井下仪器的数据选通完,井下遥测单元就停止发上传时钟UCLK。要注意的是,当井下仪器不被选通数据时,其数据输出线应处于高阻状态。
  2.1.2 UCLK(向上时钟)线
  UCLK是上传时钟母线,它可把各井下仪器的数据选通到UDATA/GO母线上去。各井下仪器是顺序传送数据的,故UCLK母线以“菊花链”方式,与各井下仪器相连。每帧开始时,UCLK先接到第一个井下仪器。第一个井下仪器送完数据后,UCLK就被接到第二个井下仪器。依次类推,直至把最后一个井下仪器的数据送完为止。向上时钟是一串1.2V的脉冲波,其周期为10us,脉宽为5us。
  3.TCC电路信号完整性的测试
  3.1 TCC电路测试总体设计
  本文运用agilent6000示波器电缆遥传系统井下TCC电路的信号完整性进行测试,通过对电缆遥传系统井下TCC电路中GO和UCLK信号的串扰及眼图参数的完整性测量,从而对测井地面仪与井下仪之间大量数据是否高速、实时、准确的传输做出明确的判断。井下TCC电路信号测试的连接示意框图如图2所示。
  3.2 振幅测试
  3.2.1 幅度
  分别打开1、2通道,关闭其他通道,调整GO、UCLK脉冲信号,使其处于示波器合适位置,按Display按钮,选择 Persist,一段时间后,再在示波器面板上按下Quick Meas,选择Amplitude测试,再按Measure Ampl按钮,观测波形如图3所示。
  3.2.2 过冲和欠冲
  过冲是指电平在跳变时超过规定跳变电平的部分,单位为V、mV或者百分比。它通常可以分为正过冲和负过冲,正过冲是指电平在由低电平跳变为高电平后超过高电平的部分,负过冲是指电平在由高电平跳变为低电平后超过低电平的部分。欠冲正好相反,是指电平在跳变时少于规定跳变电平的部分,通常可以分为正欠冲和负欠冲,正过冲是指电平在由低电平跳变为高电平后少于高电平的部分,负欠冲是指电平在由高电平跳变为低电平后少于低电平的部分。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地失效,严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。它们可以通过增加适当端接来予以减少或消除。
  打开1、2通道,关闭其他通道,调整GO、UCLK脉冲信号,使其处于示波器合适位置,按Display按钮,选择 Persist,一段时间后,再在示波器面板上按下Quick Meas,选择Overshoot测试,再按Measure overshoot按钮,观测波形图4、5、6所示。
  3.3 时间测试
  打开1、2通道,关闭其他通道,调整GO、UCLK脉冲信号,使其处于示波器合适位置,按Display按钮,选择 Persist,一段时间后,再在示波器面板上按下Quick Meas,选择Period测试,再按Measure Period按钮,观测波形如图7、8所示。
  4.测试结果分析[5,6]
  4.1 振幅测试结果及分析
  过冲与欠冲百分比计算公式分别为:
  edge overshoot= local Maximum -Basc/Amplitude×100
  edge undershoot=Base-local Minimum/Amplitude×100   GO线上发送的一个3.6V正脉冲。实测值为3.56V,误差为1.2%,GO脉冲下降沿过冲过大,是由于下降沿时间过短造成的,其目的是为了保证GO脉冲下降沿结束后,320us时,向第一个井下仪器发上传时钟信号(UCLK母线)的精确度,从而导致过冲的大幅上升。
  向上时钟UCLK是一串1.2V的脉冲波,实测值为1.27V,误差为5.8%,UCLK信号的过冲都为19.8%,但是宽度都小于,都不会影响到判定信号。
  4.2 时间测试结果分析
  向上时钟UCLK其周期为10us,脉宽为5us,其理论占空比为50%,测试值为53.8%,高速时钟信号可靠性和稳定性能得以保证;由测试结果可知两路信号的上升时间与下降时间都非常的短暂,能很好的满足分时传输原理,保证电缆遥传系统的高精度测试。
  5.结语
  本文利用示波器实现了电缆遥传系统井下信号完整性的测试,从测试结果分析来看,该井下电缆遥传短接可以确保井下仪器信号数据实时的采集,处理和传输。因此,利用高精度示波器进行信号完整性的测试是完全可行的。
  参考文献
  [1](美)伯格丁著.李玉山等译.信号完整性分析[M].北京:电子工业出版社,2005.
  [2]夏军成.高速数字设计中的信号完整性[J].现代电子技术,2003,26(4):10-11.
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  [4]张家田,陈宝,严正国等编著.测井电子信息技术[M].北京:石油工业出版社,2010,5:225-301.
  [5]孙宇贞.高速电路的信号完整性分析.电子技术应用[J].2005,12(3):73-76.
  [6]陈伟,黄秋元,周鹏等.高速电路信号完整性分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2009,5:78-99.
  基金项目:国家重大专项[2011ZX05020-004-05];陕西省自然科学基础研究计划重点项目[2011JZ005]。
  作者简介:
  张家田(1963—),男,教授,现供职于西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,研究方向:测试计量技术及仪器。
  侯永春(1984—),男,在读硕士研究生,研究方向:信号分析处理理论与技术。

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