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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

发布日期:2019-04-29

应用于井下仪器的无源晶振起振电路的设计与实现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:时间:2019-01-0715:16:49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。 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140MPa,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。 起振电路设计方案测试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3R25=10K时的频率输出波形()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。

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。 AD7741ARVIN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、、时的频率输出波形。

表1AD7741AR输出线性度实验数据(表中f=)。