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应用于井下仪器的无源晶振起振电路的设计与实现

关键词:井下仪器 无源晶振 AD7741 74HC04 CPLD

时间:2019-01-07 15:16:49       作者:袁红芳       来源:西安思坦仪器

摘要:本文基于AD7741芯片、74HC04非门,设计了两种可以应用于井下仪器并为其提供时钟源的无源晶振起振电路,并根据井下仪器的工作环境,设计了常温和高温175℃的实验对电路稳定性进行检测,根据实验结果对比,在74HC04芯片非门的基础上,提出了更优的基于CPLD的无源晶振电路设计,并进行样板检测证明该电路是合理可行的。

0 引言

随着世界经济的发展,各国对石油天然气资源的需求也越来越大,井下作业的仪器设备需求量急速增长,但由于井下高温,高压,振动冲击和泥浆的恶劣工作环境对仪器设备的各方面要求较高。而在仪器结构和其它模块都确定的情况下,硬件电路的设计与实现就成为了仪器能否可靠稳定工作关键。但在实际应用中硬件电路中元器件在高温、高压、强冲击下易产生烧毁、开路、电参数飘移等失效方式[4],对仪器的正常工作及安全生产造成了影响,所以设计开发可以应用于井下仪器的耐高温、高压、能承受冲击的电路对井下作业的发展有很大的促进作用。应用于井下仪器设备的电路设计在电子电路设计及处理器芯片的应用中,时钟电路是高速处理电路及设备不可或缺的一部分,所以时钟电路的稳定性及可靠性就显得至关重要。本文对应用于井下仪器中晶振电路的设计进行了具体研究,通过综合比较不同设计方案的晶振电路尺寸、电子元器件的特点以及工作可靠性等影响因素,选择出适用于本设计的晶振配置,并进行了实验验证。

1 原理设计

晶振在电路中的作用是为系统的各个部件提供基准频率。应用中一般可选石英晶体谐振器作为无源晶振crystal(晶体),或选石英晶体时钟振荡器作为有源晶振oscillator(振荡器)[1]

无源晶振由于其高品质因数(Q值)、高稳定性、小尺寸和低成本作为优良的频率选择与控制器件, 用途极为广泛, 现正向高基频、高性能、高可靠和微小型化方向发展[4]。因此针对井下测井仪器高温高压的工作环境,以及仪器工作的恶劣环境的适用性,尽可能的减少贴片电子元器件的使用,节省电路所占的空间,设计了可以应用于井下仪器的无源晶振起振电路。

2 硬件电路设计

电子电路是各种仪器设备的心脏, 它决定着电器设备的功能和用途, 尤其是电器设备性能的可靠性更是由其电子电路的可靠性来决定[3]。电路形式、元器件选型、 设计方案等在很大程度上也就决定了可靠性,为此提出了两种设计方案。

2.1 AD7741AR起振电路设计方案

AD7741为单通道8引脚的同步电压-频率转换器,将电压转换为频率信号。具有单一的缓冲输入,在其8引脚中VDD为电源输入、GND为零件上所有电路的接地参考点、CLKINOUT为外部时钟输出,当该设备的主时钟为晶体,则是CLKIN和CLKOUT之间的连接。当外部时钟应用到CLKIN,CLKOUT引脚提供一个反相的时钟信号、CLKIN为外部时钟输入、FOUT为频率输出。根据电路板的功能特点,电路板上的压频转换芯片具备使无源晶振起振的功能及管脚,所以针对该电路板的起振电路如图1所示。

图1 基于AD7741YR的无源晶振起振电路

2.2 非门起振电路设计方案

结合CPLD时序控制电路自身的特点,先设计了基于非门74HC04的无源晶振起振电路,用来验证基于CPLD板的非门电路设计可行性。

图2基于非门74HC04起振电路

74HC04为六反相器,有高低电平的转换作用,和增加信号的驱动能力;R23是反馈电阻,它可以使反相器在振荡初始时处于线性工作区。C25、C26为负载电容,对振荡频率有轻微的影响。从并联谐振回路也就是晶振两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡。如图2所示。

3 性能测试

根据电路设计的设计原则,在制出成品之后,要对其进行相应的电路调试,包括系统故障的问题的排查,和系统使用性能的测试以及功能测试,以保证整体电子电路的使用性能和整体质量[7]。国内测井仪器的极限工作条件为175 ℃和140 MPa , 但主要在150 ℃温度范围内应用[2]。所以,参考SY/T5134-1993石油勘探开发仪器基本环境实验方法[5]等相关标准,应用于石油仪器的电路在样机设计过程中均需进行高温试验、振动试验、冲击试验等环境性试验验证,才能确定能否应用于井下石油仪器的设计中。所以根据设计要求和使用条件进行常温调试和175℃的高温调试。

3.1AD7741AR起振电路设计方案测试

3.1.1常温实验测试

   电路按图1所示连接后,未加R25(阻值为10K),此时晶振起振困难,且输出频率值不稳。用示波器的探头点一下测试点,晶振就会起振。查阅资料得知,示波器探头上有约10PF的电容和电阻,所以将C15换成30PF,晶振还是起振困难,波形失真。

       图3 R25=10K时的频率输出波形(137.5KHz)

经分析,补偿了示波器探头上的阻抗,所以接了R25,阻值为10K,晶振在上电瞬间即可起振,且输出为较规整的正弦波。波形如图3所示。

3.1.2 AD7741AR频率输出线性度测试

AD7741AR在电路板中主要功能是实现信号的压频转换,所以AD7741AR频率输出线性度好坏与信号的采集很重要。AD7741AR VIN管脚输入电流后频率的理论值与实测值的对比如表1所示,可以发现理论值与实测值的偏差不大。图4、5、6分别为VIN管脚输入直流电压为0V、1.25V、2.50V时的频率输出波形。

表1  AD7741AR输出线性度实验数据

(表中f=137.5KHz)

AD 7741YR VIN管脚输入直流(V)

0

1.25

2.50

波形见图5

理论值(KHz)

6.875(0.05f)

34.375(0.25f)

61.875(0.45f)

波形见图6

 实测值(KHz)

6.59181

34.6379

62.0513

波形见图7

图4  VIN管脚输入直流0V时的频率输出波形

图5 VIN管脚输入直流1.25V时的频率输出波形

图6 VIN管脚输入直流2.5V时的频率输出波形

图7 常温晶振频率输出波形

  

图8 175℃恒温1小时后的频率输出波形

在经过常温和175℃恒温1小时监测频率实验后,输出频率的波形圆滑流畅,频率波形变化很微小。由此可以看出该电路的输出频率稳定说明其能满足设计要求和工作条件。输出频率波形图如图7、8所示。

3.2 非门起振电路设计方案

3.2.1 常温实验测试

74HC04非门起振电路,在经过调试后观察到晶振的输出频率是4.4MHz,但波形失真较严重。分析得知应该是输出端没有阻抗匹配或C25、C26容值不合适。将C26的容值改为100PF后,经过调试进行常温与高温检测结果及电路图如图9、10所示。


      图9 输出波形

图10 高温175℃恒温一小时频率输出波形

(C1=22PF,C2=100PF,R0=268Ω)

经实验测试基于非门74HC04的无源晶振起振电路在修改后符合设计要求,说明基于非门的晶振起振方案是可行的,在外部非门晶振起振方案实验的基础上,我们结合CPLD时序控制电路自身的特点[3],应用CPLD EPM7256AETI100内部的一个非门设计了起振电路,原理图如图11所示。图12、13为常温与高温检测输出波形图。

 图11 基于CPLD内部非门的起振电路原理图

图12 常温频率输出波形图                图13  高温175℃频率输出波形

4 结果与分析

⑴ AD7741AR设计方案起振电路精度计算如下:

(式中μ为最大偏差;f为标准频率输出)

⑵ AD7741AR压频转换输出线性度误差分析

应用上述实验数据,利用OriginPro 7.5 数据分析软件对数据做了如下分析,拟合曲线方程为Y=6.875+22X与根据AD7741AR芯片资料里提供的相同,误差小于0.0001。AD7741AR压频转换输出线性度拟合曲线如图14所示。

图14  AD7741AR压频转换输出线性度拟合曲线

非门起振电路设计方案精度计算如下:

上式中参与差值运算的数据均为实验记录数据,前者为常温数据,后者为高温数据。通过计算,设计的电路精度都在合理的误差范围之内,能满足设计要求和实现稳定工作。

5 结论分析

(1) AD7741AR起振电路设计方案,通过常温与高温实验结果可知,该电路输出为137.5KHz的正弦波信号,幅值为4V,压频转换功能线性度良好,可以满足电路使用条件。

(2) 非门起振电路设计方案,基于非门74HC04的无源晶振起振电路频率输出较稳定,但是波形有失真现象,通过电路电容电阻参数的调整,可使波形输出的失真现象得到改善。

(3)而使用CPLD芯片内部的非门设计的起振电路调试后的波形失真较小,更接近方波。但两者在高温下的输出波形较常温有少量失真,可通过匹配电阻来补偿,幅值也满足CPLD电阻的输入要求,其性能优于74HC04的电路设计。结合电路自身的特点和资源,采用了基于CPLD内部非门的起振电路方案。电路封装样品为图15所示。

图15 基于CPLD内部非门的起振电路实物

参考文献:

[1]. 夏昂然,黄平,刘修泉,胶囊内窥镜中晶振电路的设计与实验研究[J],现代制造工程,2014,(10):60-65

Xia Angran,Huang Ping,Liu Xiuping,Design and experimental research of the crystal oscillator circuit in capsule endoscopy,[J], Modern Manufacturing Engineering,2014,(10):

60-65

[2]. 池伟,李成,高测井仪器耐高温性能方法的研究,传感技术学报,2007,08(8):1903-1906

Chi Wei,Li Cheng,Methods for Improving High-Temperature Resistance Performances of Logging Tools,Chinese Journal of Sensors and Actuators,2007,08(8):1903-1906

[3]. 庞兵强,随钻感应测井井下电路研究[D],浙江大学,2014,1   

Pang Bingqiang,Circuit Design of LWD Induction Loggin,Zhejiang University,2014,1

[4]. 刘桂礼,王艳林,李东,石英晶体谐振器电参数测量电路设计[J],北京机械工业学院学报,2008,03(1):23-26

Liu Guili,Wang Yanlin,Li Dong,Design of the electrical parameters measurement circuit of quartz crystal[J],Journal of Beijing Institute of Machinery,2008,03(1):23-26

[5]. 石油勘探开发仪器基本环境实验方法[S]SY/T5134-1993

[6]. 孙旭松,电子元器件的失效机理分析[J],仪表技术,2012,(5):49-54

Sun Xusong,Failure Mechanism Analysis of Electronic Components [J] , Instrumentation Technology,2012,(5):49-54

[7]. 许小飞,方桦,电子电路设计的原则、方法以及步骤探讨[J],电子制作;2016,10

[8]. 蔡久评,熊中侃,电子电路设计的原则、方法和步骤[J],江西教育学院学报,2007,12(6):13-16

Cai Jiuping,Xiong Zhongkai,Pr inciples, Methods & Steps of Electronic Cir cuit Design, Journal of Jiangxi Institute of Education(Comprehensive),2007,12(6):13-16

作者简介

袁红芳(1984-),女,硕士研究生,西安思坦仪器股份有限公司,电子研发工程师,从事石油仪器的开发工作。

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