信号完整性测试技术研究

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 张家田

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 宝鸡文理学院 侯永春

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。

图1 外部关系接口示意图

图2 井下TCC电路信号测试的连接示意框图

表1 振幅测试结果

表2 时间测试结果

图3 UCLK信号的幅度波形图

图4 GO信号的过冲波形图

图5 UCLK信号的过冲波形图

图6 UCLK信号的欠冲波形图

图7 GO信号波形图

3.3 时间测试

图8 UCLK信号波形图

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。

[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.

[3]测井学编写组.测井学[M].北京:石油工业出版社,1998,12:319-334.

[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.