Частота генератора тактовых импульсов измеряется в: Генератор тактовых импульсов

Содержание

Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовой частоты(генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах —ЭВМ,электронных часахитаймерах, микропроцессорной и другойцифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

[править] Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

[править] Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

[править] Кварцевый

Генератор Пирса.

[править] Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подаче на её входную ногу сигнала с кварцевого резонаторабудет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

[править] Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частотыFSBпроцессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггерв режимесчётчикаимпульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

[править] Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты

процессора(«частоту»). В некоторых процессорах (например,Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП идешифраторомсигналов состояния процессора.

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор,кварц— прибор, в которомпьезоэлектрический эффекти явлениемеханического резонансаиспользуются для построениявысокодобротногорезонансного элемента электронной схемы.

Несмотря на то, что вместо кварцачасто используются и другиепьезоэлектрики, например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.

Принцип действия

Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме

Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц

Кварцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.

Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.

Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивностивколебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Эквивалентная схема

История

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями ЖакомиПьером Кюри.Поль Ланжевенвпервые использовал этот эффект в часовом резонаторегидролокаторапередпервой мировой войной. Первыйкристальныйрезонатор, работающий насегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компанииBell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовилкварцевыйрезонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позжеЛьюисом Эссеном(Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

[править] Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа(SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

[править] Преимущества перед другим решениями

  • Достижение намного больших значений добротности (104−106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.

  • Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).

  • Большая температурная стабильность.

  • Большая долговечность.

  • Лучшая технологичность.

  • Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

[править] Недостатки

  • Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частотыразличной степени сложности.

теория синхронизации (часть 2) [перевод] • Stereo.ru

Техническая часть предлагает доступный разбор, с помощью которого конечный пользователь цифровых аудиосистем, который, как мы полагаем, не имеет глубоких технических знаний, может начать более эффективно оценивать подобные системы. Некоторые более глубокие технические концепции рассмотрены здесь в доступной форме, а также даны рекомендации для прослушивания.

Часть 1. История возникновения тактовых генераторов

Техническая перспектива: введение в ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты)

Cубъективный подход может пригодиться техническим специалистам, дав толчок их исследованиям. И точно так же даже поверхностное знакомство с техническими аспектами работы пользовательского оборудования способно помочь нам в уточнении субъективных оценок. При вдумчивом подходе эстетические и технические аспекты могут идти рука об руку и достигать более глубокого понимания предмета.

Со временем пользователи все больше вникают в суть понятия ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты). ФАПЧ управляет потоком цифровых данных в преобразователе и, следовательно, отслеживает и сводит к минимуму несогласованность по времени при доставке данных, которую мы называем джиттером. Принято считать, что системы с меньшим уровнем джиттера звучат лучше, поэтому более подробное знакомство с тем, как ФАПЧ управляет джиттером, является ключом к тому, чтобы более тонко оценивать качество цифровых аудиосистем.

Когда вы посылаете цифровой аудиосигнал в конвертер (или в цифровой интерфейс), то конвертер необходимо синхронизировать с дискретизацией этого сигнала. В большинстве преобразователей для этого применяется система ФАПЧ, которая пытается сонастроиться с входящим (опорным) тактовым сигналом. Для этого в ФАПЧ используется так называемый компаратор, который отслеживает фазовое соотношение между собственным и входящим тактовыми сигналами.

Если в этом соотношении имеются какие-либо изменения, система ФАПЧ настраивается так, чтобы оставаться настолько синхронизированной (с опорным сигналом), насколько это возможно. Этот процесс называется «установлением фазовой синхронизации» (или фазовой автоподстройкой частоты). При этом ФАПЧ отсылает свой тактовый сигнал в обратном направлении для сравнения с входящим сигналом — поэтому этот процесс также называют петлей ФАПЧ (по англ. PLL — phase lock loop).

Как и в случае с любым электронным устройством, существует множество способов применения ФАПЧ, но то, что отличает одну конструкцию ФАПЧ от другой, выходит за рамки данной статьи. Для наших целей мы будем придерживаться базовых основ, которые конечные пользователи смогут использовать при работе со своими цифровыми системами.

Если тактовый сигнал входящих данных имеет высокий уровень джиттера (фазового дрожания), то это создает определенные проблемы. Правильно сконструированная ФАПЧ-система будет синхронизироваться с входящим тактовым сигналом и в то же время максимально игнорировать его джиттер. Если вам когда-нибудь приходилось видеть, как заклинатель змей находит такое место, в котором кобра еще не атакует, но и не уползает — у вас есть некоторое представление о том, как правильная система ФАПЧ делает свое дело.

Следующей подходящей аналогией может служить круиз-контроль автомобиля, который необходимо постоянно настраивать, обеспечивая плавность хода. Если круиз-контроль слишком чувствительный, автомобиль будет постоянно ускоряться и замедляться, если же он недостаточно чувствителен — машина будет терять требуемую скорость.

ФАПЧ внутри цифрового аудиоконвертера (ЦАПа) работает аналогично тому, как заклинатель змей справляется с коброй, находя золотую середину, в которой змея становится полностью неподвижной

ФАПЧ, слишком быстро реагирующая на входящий джиттер, не в состоянии его игнорировать и, поэтому, в сущности, будет воссоздавать его. Такую систему часто называют «быстрой» или «быстро отслеживающей» ФАПЧ. Скептики могут подметить, что ЦАПы с такой быстрой системой ФАПЧ слишком «чувствительны к входному джиттеру». Это и вправду не очень хорошо, однако правильно сконструированную быструю ФАПЧ можно рассматривать как прозрачную, поскольку такая система представляет собой относительно точную копию входного сигнала.

Правильно сконструированная медленная система ФАПЧ будет точно синхронизироваться с временной разверткой входного сигнала, но не будет воссоздавать его джиттер. Также можно сказать, что медленные ФАПЧ-системы тоже являются прозрачными, так как они представляют исходные данные без джиттера устройства-источника. По сути, ЦАПы могут иметь один из двух различных типов прозрачности: а) прозрачность, которая показывает джиттер устройства-источника; б) прозрачность, игнорирующая этот джиттер источника. Какая из них лучше, зависит от того, что именно мы хотим услышать.

Мы приводим здесь сравнительно упрощенный взгляд на то, как работают быстрые и медленные системы ФАПЧ, но для наших целей этого вполне достаточно. Мы считаем, что производителям конвертеров (ЦАПов) стоило бы рассказать нам о степени прозрачности, которой они стремятся достичь в своих устройствах

Поскольку обычно нам нужно минимизировать джиттер, в большинстве случаев мы будем довольствоваться медленной ФАПЧ, игнорирующей входной джиттер, но в отдельных случаях для мониторинга цифро-аналогового преобразования вполне может пригодиться и быстрая ФАПЧ, которая воспроизводит джиттер источника сигнала. Если бы у нас была такая возможность, то все мы наверняка предпочли бы ЦАПы с регулируемой ФАПЧ, что позволило бы нам по необходимости делать выбор между обоими типами прозрачности. Также не лишним видится наличие документации, описывающей тип ФАПЧ в каждом конкретном устройстве.

Еще одно важное понятие, которое следует учесть, — это фазовый шум. Грубо говоря, если джиттер — это несогласованность во времени, то фазовый шум — это несоответствие по частоте, являющееся следствием джиттера. В контексте нашего разговора, джиттер и фазовый шум — это в значительной степени взаимозаменяемые понятия, однако мы все попытаемся разграничивать эти явления в зависимости от контекста.

Понимание взаимосвязи между временной и частотной областями необходимо для более глубокого понимания работы ЦАПов. Для наших целей полезно иметь хотя бы поверхностное представление о том, как джиттер в тактовом генераторе (эффект во временной области) превращается в фазовый шум (частотная область). Это позволит нам представить, как генераторы тактовых импульсов влияют на аудиосигналы

Как правило, практически все, что разработчик ФАПЧ может сделать для уменьшения джиттера/фазового шума, положительно скажется на аудиосистеме в целом. Поэтому разработка ФАПЧ всегда остается главной задачей для конструкторов, когда дело касается минимизации джиттера. Более полное понимание природы ФАПЧ в наших цифровых аудиосистемах поможет нам тоньше воспринимать их звучание, а также учесть все эти важные моменты при совершении покупки.

Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора

Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.

Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.

Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды. Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения.

На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.

Однако, к примеру, в телекоммуникационной отрасли важны обе стабильности, поэтому появилась разновидность клоков, в которых используются рубидиевые генераторы, чтобы обеспечить кристаллам хорошую долгосрочную стабильность. Сейчас аудиомир захватила идея «атомных генераторов тактовых импульсов» (atomic clock), и, несмотря на тот факт, что долговременная точность не имеет значения для аудио, атомные клоки наделали немало шума как на аудиофильском, так и на профессиональном аудиорынке.

Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.

На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.

Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).

Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.

Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.

Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.

В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой. Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом.

Как прослушивать клоки

Как бы мы ни приветствовали необходимость объективного измерения с использованием соответствующих измерительных инструментов и, в меньшей степени, двойного слепого тестирования, обычный не слепой способ прослушивания остается методом, с помощью которого подавляющее большинство людей будет оценивать аудиоаппаратуру, включая клоки и ЦАПы.

Оценка не слепого прослушивания всегда строится на отдельных наблюдениях, однако мы могли бы помочь пользователю лучше понять, как мыслить и передавать свои собственные субъективные впечатления, а также обеспечить взаимопонимание между сторонниками субъективного и объективного подхода. Таким образом мы бы продвинулись вперед в этом затяжном разговоре о цифровом аудио.

При рассмотрении чего-либо столь же утонченного (но широко распространенного), как синхронизация, акцентирование внимания на параметрах звучания, подверженных влиянию тактовых генераторов, поможет слушателям с любым уровнем знаний и опыта развить свой слух, а также предоставит нам полезный словарный запас терминов, который поможет описать то, что мы слышим. Мы полагаем, что эстетическое чувство может быть развито лучше при надлежащем руководстве и что фокусировка нашего внимания на специфических аспектах сенсорных раздражителей в конечном счете поможет нам стать экспертами.

Ниже приведен список характеристик звучания, которые могут быть услышаны при смене генераторов тактовых импульсов в цифровой системе. В целом, мы уверены, что улучшения любого из этих параметров, вероятнее всего, указывают на уменьшение уровня джиттера.

Clarity («ясность», «чистота», «четкость»). Многие системы считаются «открытыми», так как демонстрируют больше звуковых деталей в высокочастотной области, для которой характерно более высокое разрешение. Определенные звуки — к примеру, звучание ride-тарелок или сибилянты в вокальных партиях — могут быть более детальными и интересными, и ВЧ-динамики в таком случае как бы раскрывают больше информации. Но весь частотный спектр при этом также будет демонстрировать разные уровни ясности.

Changes to Soundstage Shape («изменение сцены»). Некоторые тактовые генераторы будут усиливать центральный звуковой образ, в то время как другие будут стремиться расширить стереобазу, делая акцент на левом и правом дальних краях сцены. Это можно сравнить со звуковой сценой, имеющей «вогнутую» или «выпуклую» форму.

Front-to-Back Depth («глубина сцены»). Глубина звукового образа может изменяться при смене клоков. Как правило, более качественный тактовый генератор будет демонстрировать большую глубину. Зачастую, наряду с увеличением глубины, на записи повышается детальность отраженного звука.

Three-Dimensionality («трехмерность»). Трехмерность, тесно связанная с формой звуковой сцены и ее глубиной, также может рассматриваться как отношение фантомного музыкального образа в центре к остальной части звуковой сцены. Некоторые люди называют это «голографическим» звучанием или даже «голосоникой», потому что звук становится (обратите внимание на визуальный язык) как бы трехмерным.

Localization & Individuation («локализация и индивидуализация»). Способность различать и определять местонахождение отдельных звуков в звуковом образе часто может улучшаться при уменьшении джиттера. При этом панорамное расположение (позиционирование) музыкальных образов может казаться более точным, а местонахождение (разделение) отдельных инструментов в пространстве — более определенным.

Low-End Focus («фокусировка нижних частот/баса»). Внешний тактовый генератор может влиять на плотность и фокусировку самых нижних частот, равно как и на звуковую подачу таких низкочастотных инструментов, как бас-гитара.

Low-End Extension («протяженность низких частот»). Хороший тактовый генератор иногда заставляет цифровую систему расширять свои низкочастотные характеристики (вопиющий пример этого будет рассмотрен ниже).

General Ease of Listening («общая легкость прослушивания»). Для многих слушателей уменьшение уровня джиттера может вызвать ощущение расслабленности при прослушивании, особенно в течение длительного времени. Некоторые заметят, что их тело больше расслабляется при прослушивании одной системы по сравнению с другой.

Richness («насыщенность/яркость»). В высшей степени субъективное качество. Многие опытные слушатели отметят, что звучание становится более «богатым» при минимизации джиттера. Мы полагаем, что слушатели сами придадут этому термину собственное значение и будут использовать его так, как им угодно. Мы также склонны думать, что данный термин может означать суммарный результат многих (если не всех) улучшений вышеперечисленных характеристик.

Мы перешли на описательные формулировки, которые обычно можно услышать от аудиофилов или которые ассоциируются с ними. Мы считаем, что рекорд-мейкеры и далее будут пользоваться этим описательным языком и даже копаться в аудиофильских словарях в поисках лингвистических новшеств.

Развитие языка, который мы используем для описания более тонких аспектов того, что мы слышим, будет только способствовать обмену впечатлениями друг с другом, а также с разработчиками продуктов, которые могли бы использовать наши описания для создания своей техники. Подобный язык всегда будет тем материалом, с помощью которого мы наводим мосты между субъективной и объективной перспективами.

Но мы все же сделаем оговорку: если вы не слышите различий при прослушивании разных тактовых генераторов — это ваш субъективный опыт. Не слышать разницу столь же актуально и важно, как и слышать ее — ведь ключевой аспект здесь состоит в том, чтобы стать опытным экспертом и не позволить чужому мнению склонить вас к тому, чтобы услышать то, чего нет.

Основная проблема кроется в том, что так называемое «управляемое прослушивание» может вызвать предвзятость (тенденция искать подтверждение своим ожиданиям), что представляет собой колоссальную проблему в научно-исследовательской деятельности. Мы не стремимся убедить кого-либо принять нашу идею не слепого прослушивания как научную. Вместо этого мы хотели бы прояснить, что это за парадигма и как можно использовать ее на практике.

Продолжение: часть 3 (практика)

Устройство, система и способ калибровки скважинного генератора тактовых импульсов

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Понимание структуры и свойств геологических пластов позволяет снизить затраты при бурении скважин при нефтегазопоисковой разведке. Обычно для этого выполняют измерения в стволе скважины (т. е. скважинные измерения), а также определяют состав и распределение веществ, окружающих измерительный прибор, находящийся в скважине. Для выполнения таких измерений используют различные датчики и монтажные конфигурации.

[0002] Например, в качестве монтажной площадки для скважинных датчиков могут использоваться электромагнитные (ЭМ) каротажные приборы для каротажа во время бурения/измерения во время бурения (КВБ/ИВБ). В некоторых проектах используют сигналы синхронизации, подаваемые посредством расположенных в скважине генераторов тактовых импульсов, которые имеют точность около одной миллиардной (1 к 109). Однако при использовании общепринятых методов сложно достичь требуемой точности, а в некоторых случаях невозможно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] На Фиг. 1 проиллюстрирована функциональная схема устройства и систем в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0004] На Фиг. 2 проиллюстрирована функциональная схема устройства и систем в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0005] На Фиг. 3 проиллюстрирован график спектра амплитуд теллурических токов в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0006] На Фиг. 4 проиллюстрирован график взаимодействия магнитного поля с Землей в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0007] На Фиг. 5 проиллюстрирована функциональная схема устройства и системы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0008] На Фиг. 6 проиллюстрирована функциональная схема устройства и системы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0009] На Фиг. 7 проиллюстрирована функциональная схема устройства повторителя в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0010] На Фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема, поясняющая несколько способов в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0011] На Фиг. 9 проиллюстрирован вариант реализации кабельной системы по данному изобретению.

[0012] На Фиг. 10 проиллюстрирован вариант реализации буровой установки по данному изобретению.

[0013] На Фиг. 11 проиллюстрирована функциональная схема изделия в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Для решения некоторых из описанных выше задач, а также других, в данной заявке описаны устройство, системы и способы, посредством которых может быть увеличена точность функционирующих в скважине тактовых генераторов. В некоторых вариантах реализации изобретения предложено решение, посредством которого становится возможной калибровка частоты скважинного задающего генератора тактовых импульсов на месте проведения работ.

[0015] Например, данный результат может быть достигнут путем предоставления генератора тактовых импульсов на поверхности Земли, который в значительной степени является более стабильным, по сравнению с расположенным в скважине генератором тактовых импульсов, и получения низкочастотного сигнала от задающего генератора поверхностного генератора тактовых импульсов (например, порядка 1 Гц). Затем сигнал передают посредством скважинной электромагнитной нисходящей низкочастотной линии связи, принятой в скважине, причем частота нисходящего сигнала измеряется в единицах времени скважинного генератора тактовых импульсов. На данном этапе рассчитывают фактическую частоту скважинного генератора тактовых импульсов во время приема нисходящего сигнала и используют ее для коррекции временных интервалов, полученных от скважинного генератора тактовых импульсов, с учетом измеренного сдвига частоты.

[0016] В следующих абзацах будут описаны по меньшей мере два механизма для измерения частоты нисходящего сигнала и по меньшей мере один способ коррекции временных интервалов, полученных от скважинного генератора тактовых импульсов.

[0017] Для начала обратимся к Фиг. 1 и 2, на которых проиллюстрировано несколько вариантов реализации устройства и систем. Существует несколько общих признаков, проиллюстрированных на чертежах.

[0018] Поверхностные системы 120 аналогичны, а в некоторых вариантах реализации изобретения, идентичны, при этом они содержат поверхностный генератор 121 тактовых импульсов, возможно, управляемый посредством задающего генератора 122. Скважинный генератор 124 тактовых импульсов (возможно, управляемый посредством задающего генератора 126), процессор 128, и приемный элемент 136 (например, изолированный зазор 132 или катушка 140) расположены в скважине. Скважинное устройство 148 может входить в состав инструмента 156 для сейсмических измерений во время бурения (или какого-нибудь другого инструмента в бурильной колонне или зонда на кабеле). Приемник 144 может быть соединен с приемным элементом 136, таким как изолированный зазор 132. В зависимости от варианта применения и продолжительности срока службы стабильность генераторов 121, 124 тактовых импульсов может быть различной, но во многих вариантах реализации поверхностный генератор 121 тактовых импульсов должен иметь стабильность по меньшей мере на порядок выше, чем у скважинного генератора 124 тактовых импульсов.

[0019] В случае, когда скважинный генератор 124 тактовых импульсов не может быть периодически повторно синхронизирован относительно поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, то скважинный генератор 124 тактовых импульсов должен, по меньшей мере, соответствовать характеристике для системы в целом, причем характеристика поверхностной системы 120 должна превышать характеристику для системы в целом, во избежание совместного дрейфа частоты двух генераторов тактовых импульсов 121, 124, превышающего требуемую характеристику для обеспечения требуемой стабильности.

[0020] Например, для дрейфа не более 1 мс при продолжительности срока службы 200 часов, скважинный генератор 124 тактовых импульсов должен иметь дрейф не более чем один к 109, при этом скорость дрейфа поверхностного генератора 121 тактовых импульсов должна быть примерно на порядок меньше. С другой стороны, в случае, когда в течение срока службы между генераторами тактовых импульсов 121, 124 может быть достигнута повторная синхронизация в дискретных временных интервалах, требование стабильности может быть снижено, в зависимости от числа циклов повторной синхронизации.

[0021] Как проиллюстрировано на фигурах, поверхностная система 120 содержит поверхностный генератор 121 тактовых импульсов, входящий в состав системы для сейсмических измерений во время бурения 160. Генератор 121 тактовых импульсов проиллюстрирован отдельно для того, чтобы подчеркнуть его происхождение от стабильного задающего генератора 122. Как известно специалистам в данной области техники, данные генераторы рассматриваются в книге «New Advances in Ultra-Stable Microwave Oscillators», V. Giordano, P.Y. Borgeouis, Y. Gruson, N. Boubekour, R. Boudot, E. Rubiola, N. Bazin, and Y. Kersalé, Eur. Phys. J. Appl. Phys., 32, 133-141 (2005), а также в других источниках.

[0022] С целью облегчения понимания поверхностный задающий генератор 122 тактовых импульсов проиллюстрирован в виде кварцевого генератора, но как обсуждалось в Giordano et al, может быть использовано множество других колебательных систем. Для получения стабильного низкочастотного сигнала от задающего генератора 122 используется отдельная дифференцирующая схема 152. Таким образом, в случае, когда задающий генератор 122 работает на частоте f0, то продифференцированный сигнал fD может быть сформирован на частоте (M/N)* f0, где M и N являются целыми числами.

[0023] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения продифференцированный сигнал fD может быть получен путем деления частоты f0 задающего генератора 122 на большое целое число N и, возможно, также путем его умножения на некоторое целое число М так, чтобы получить сигнал с такой же стабильностью, как у задающего генератора, но на гораздо более низкой частоте (например, в диапазоне от 0,1 Гц до 100 Гц). Схемы такого рода хорошо известны специалистам в данной области техники (например, деление может выполняться путем использования системы счетчиков, а умножение может быть выполнено путем выбора гармоник сигнала прямоугольной формы или с помощью логических схем и элементов задержки).

[0024] Выходной сигнал дифференцирующей схемы 152 может иметь практически синусоидальную форму, при этом допускается некоторая величина гармонических искажений. Выходной сигнал данной схемы 152 передается в усилитель 164 мощности с дифференциальным выходом.

[0025] Одно ответвление выходного сигнала от усилителя 164 мощности подается на проводник, соединенный с обсадной колонной скважины, содержащей инструмент 156 для сейсмических измерений во время бурения. Другое ответвление соединено со штырем заземления в месте, удаленном от обсадной колонны, соединенной с первым ответвлением (например, это может быть обсадная колонна другой скважины). Таким образом, сигнал подается на обсадную колонну и оттуда на компоновку низа бурильной колонны (КНБК). Данный сигнал имеет такую же стабильность, что и задающий генератор 122 в поверхностной системе 120, и будет называться опорным сигналом 168.

[0026] На скважинный генератор 124 тактовых импульсов, проиллюстрированный на Фиг. 1 и 2, подают сигнал от скважинного задающего генератора 126, который снова для простоты проиллюстрирован на каждом чертеже в виде кварцевого генератора. Устройство 148, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2 также содержит изолированный зазор 132, который является частью бурильной колонны и, в частности, частью КНБК в системе для сейсмических измерений во время бурения.

[0027] Изолированный зазор 132 используется в качестве приемного элемента для опорного сигнала 168, и проиллюстрирован на фигуре как подключенный к усилителю в качестве приемника 144. В качестве варианта, катушка 140, возможно, выполненная в виде тороида, может быть смонтирована вокруг утяжеленной бурильной трубы и использована для приема нисходящего опорного сигнала 168.

[0028] Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2, также содержит процессоры 128, 228 (например, процессоры цифровой обработки сигнала или скважинные блоки обработки данных). На приведенных фигурах данные процессоры 128, 228 выполняют функции, которые частично отличаются.

[0029] Ссылаясь на Фиг. 1, можно увидеть, что опорный сигнал 168, возможно, искаженный шумами, принимают в виде разности потенциалов, наведенной на концах изолированного зазора 132, или в виде напряжения, наведенного в вышеупомянутой катушке 140. Данный сигнал 168 усиливают и, возможно, отфильтровывают. В приемнике 144 проиллюстрирован простой резистивно-емкостной (RC) фильтр, хотя для подавления шумов могут использоваться более сложные (например, узкополосные) фильтры.

[0030] Выход данного фильтра соединен с триггером Шмитта 172. Триггер Шмитта 172 формирует положительный импульс в каждом случае, когда полярность напряжения отфильтрованного сигнала меняется с отрицательной на положительную. Это приводит к формированию последовательности импульсов 179, причем все импульсы условно отделены периодом следования опорных импульсов. Скважинный генератор 124 тактовых импульсов (или скважинный задающий генератор 126) используют для управления триггерной схемой 174, которая используется для активации инкремента счетчика 176 с частотой, связанной с частотой задающего генератора (например, эта частота фактически может быть такой же, как частота задающего генератора). После получения сигнала 168 может быть измерена его частота, как описано в следующих абзацах.

[0031] Счетчик 178 выполнен с возможностью подсчета числа срабатываний триггера Шмитта. Данный счетчик 178 выполнен с возможностью сброса в исходное состояние, причем на его выходе появляется импульс одновременно с первым импульсом, поступившим на вход счетчика 178 после его сброса в исходное состояние. Кроме того, счетчик 178 выполнен с возможностью осуществления «замораживания» импульса одновременно с достижением полного числа импульсов, указанного с помощью скважинного процессора.

[0032] Цикл измерения начинается с того, что посредством скважинного процессора 128 устанавливают максимальное значение счета в счетчике 178, связанном с триггером Шмитта 172. Данное значение используется для установки количества циклов опорного сигнала 168, которые используются при измерении частоты задающего генератора 126.

[0033] После того, как было установлено максимальное значение счета, скважинный процессор 128 сбрасывает в исходное состояние счетчик 178, связанный с триггером Шмитта 172, и счетчик 176, связанный со скважинным задающим генератором 126.

[0034] После приема следующего импульса от триггера Шмитта 172 счетчик 178, связанный с триггером Шмитта 172, формирует импульс, инициирующий выполнение счета в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126.

[0035] Задающий генератор 126 продолжает генерировать одиночные импульсы в счетчике 176 до тех пор, пока не будет достигнуто полное число отсчетов (то есть максимальное значение, установленное процессором 128) в счетчике 178, связанном с триггером Шмитта 172, причем в данный момент триггер Шмитта 172 посылает сигнал, который замораживает одиночный импульс в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126. Тот же сигнал также подается в скважинный процессор 128 для передачи процессору 128 информации о завершении цикла измерения.

[0036] После этого процессор 128 считывает одиночный импульс в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126. Как будет описано ниже, данный одиночный импульс будет преобразован в кажущуюся частоту опорного сигнала 168. На основе кажущейся частоты опорного сигнала 168 можно определить фактическую частоту скважинного задающего генератора 126.

[0037] Как будет описано ниже, после определения фактической частоты скважинного задающего генератора 126 может быть выполнена коррекция (или последовательность коррекций) в соответствии с величинами синхронизации, полученными от скважинного задающего генератора 126, которые используются для измерения моментов наступления событий в скважине.

[0038] Как правило, точность измерения кажущейся частоты опорного сигнала 168 будет возрастать по мере увеличения числа одиночных импульсов в триггере Шмитта. Это связано с тем, что неопределенность хронирования пересечений нулей является практически постоянной в течение периода измерения и поэтому неопределенность синхронизации не накапливается при переходе от нулевого значения до нулевого значения, а используется только в начале и в конце последовательности переходов через нулевое значение, используемой в цикле измерения.

[0039] Ссылаясь на Фиг. 2, проиллюстрирован вариант устройства, проиллюстрированного на Фиг. 1, которое также может быть использовано для определения частоты скважинного задающего генератора 126 и для коррекции скважинного генератора 124 тактовых импульсов.

[0040] В данном случае опорный сигнал 168 принимают, усиливают и отфильтровывают, как проиллюстрировано на Фиг. 1. Однако в данном случае с помощью аналого-цифрового преобразователя 270 осуществляют дискретизацию отфильтрованного сигнала. Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 270 может быть связана с частотой скважинного задающего генератора 126, а в представленном варианте реализации изобретения является той же частотой, что и частота колебаний f0 скважинного задающего генератора 126. Значения, дискретизированные посредством аналого-цифрового преобразователя, считывают с помощью скважинного процессора 228 и сохраняют в памяти выборок. После того, как было сохранено заранее заданное число выборок, скважинный процессор 228 анализирует данные в памяти и осуществляет оценку частоты опорного сигнала 168. Поскольку частота опорного сигнала 168 известна, измеренная частота опорного сигнала 168 теперь может быть использована для коррекции частоты скважинного задающего генератора 126.

[0041] Следует отметить, что скважинный процессор 228 может быть запрограммирован для продолжения получения данных от аналого-цифрового преобразователя 270 во время обработки данных, уже находящихся в памяти выборки. Это позволяет не только измерять частоту скважинного задающего генератора 126, но и обеспечить непрерывный анализ вариации этой частоты во времени и неопределенности измерения. В некоторых вариантах реализации изобретения это может быть выполнено посредством анализа дисперсии Аллана. Полученная информация может быть полезна для диагностики и оценки тенденции изменения частоты скважинного задающего генератора 126.

[0042] В то время как дрейф частоты генератора 122 поверхностной системы 120 будет рассмотрен ниже, для ясности в последующих нескольких абзацах им можно будет пренебречь, так чтобы принципы, связанные с измерением периода опорного сигнала 168 в скважине, были более понятны. В рамках данного более основательного обсуждения будет введено несколько терминов для описания коррекции синхронизации в скважине после измерения частоты скважинного задающего генератора. Следовательно, последующее обсуждение начнется с анализа, с помощью которого корректируют результаты измерения времени в скважине, предполагая, что уже были осуществлены корректировки частоты скважинного задающего генератора.

[0043] Для ясности предполагают, что версия опорного сигнала 168, содержащая помехи, оцифровывается (например, как проиллюстрировано на Фиг. 2) и используется алгоритм аппроксимации для оценки положения пересечений нулевого уровня сигнала 168, а, в более широком смысле, для определения периода опорного сигнала 168 в соответствии с единицами времени скважинного генератора тактовых импульсов 124. Результат будет использоваться для оценки частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов для корректировки результатов измерения времени в скважине.

[0044] Допустим, что символ t обозначает время в поверхностной системе 120, которое определяется поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Моменты этого времени будут обозначаться как ti. Без потери общности предполагают, что один «такт» поверхностного генератора 121 тактовых импульсов происходит с периодом, равным одному периоду поверхностного задающего генератора 122 тактовых импульсов. Также предположим, что частоты задающего генератора 122 тактовых импульсов и скважинного генератора 126 тактовых импульсов являются близкими. То есть они работают на частоте приблизительно f0. Хотя это не является обязательным, в некоторых вариантах реализации изобретения это упрощает выполнение анализа.

[0045] Допустим, что символ «u» обозначает время в скважинных единицах, определенных скважинным генератором 124 тактовых импульсов. Моменты данного времени будут обозначаться как ui. Без потери общности предполагают, что один «такт» скважинного генератора 124 тактовых импульсов происходит с периодом, равным одному периоду скважинного задающего генератора 126 тактовых импульсов.

[0046] Далее предполагают (данное предположение не является жестким требованием, но оно упрощает анализ), что t0= u0=0.То есть, поверхностный и скважинный генераторы тактовых импульсов 121, 124 синхронизированы в некоторый момент времени, который принят равным 0.

[0047] Предполагают, что поверхностный генератор тактовых импульсов 121 имеет частоту f0[t], которая сама может быть функцией времени, но при этом она медленно изменяется как функция времени, по сравнению с требованием для стабильности синхронизации системы в целом. В идеальном варианте вариация является некоторой постоянной величиной.

[0048] Также предполагают, что скважинный генератор 124 тактовых импульсов имеет частоту f[u] или g[t]. То есть, частота скважинного генератора 124 тактовых импульсов является функцией «тактов» скважинного генератора тактовых импульсов, но также может быть представлена в виде функции «тактов» поверхностного генератора тактовых импульсов.

[0049] Предположим, что нисходящий опорный сигнал 168 имеет частоту f2[t]=a*f0[t], где a=M/N для двух целых чисел M и N, причем M/N <<1. В некоторых вариантах реализации отношение «a» не является отношением целых чисел.

[0050] Следует отметить, что t является функцией абсолютного времени и u является функцией абсолютного времени. Поскольку поверхностный генератор 121 тактовых импульсов считается достаточно качественным, что его дрейфом можно пренебречь, это позволяет избежать ненужного усложнения анализа, исключив из анализа вариацию поверхностного генератора тактовых импульсов (хотя следует отметить, что некоторые варианты реализации изобретения выполнены с возможностью учета нестабильности поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, как будет описано ниже).

[0051] Для поддержания синхронизации частоты скважинного задающего генератора с частотой поверхностного задающего генератора 122 может быть полезным знать частоту поверхностного задающего генератора 122 в виде функции времени, которая может быть названа «абсолютным временем» (то есть временем, полученным от надежного, стабильного эталона). Следовательно, поверхностную тактовую частоту просто обозначают как f0.

[0052] Длительность «такта» поверхностного генератора 121 тактовых импульсов составляет Dt=1/f0. При этом время после прохождения i тактов составляет ti=i*Dt. Из этих условий следует, что f0 можно принять за константу. Подобным образом скважинный генератор 124 тактовых импульсов формирует одиночный импульс для каждого «такта» его задающего генератора и представляет время после j тактов как uj=j*Dt.

[0053] Чтобы понять, как время в скважине связано со временем в поверхностном генераторе 121 тактовых импульсов, скважинную тактовую частоту можно охарактеризовать либо как функцию ее собственного истекшего времени после того, как произошла последняя синхронизация двух генераторов тактовых импульсов, либо как функцию истекшего времени на поверхности после того, как произошла последняя синхронизация двух генераторов тактовых импульсов. Следовательно, предполагается, что t и u связаны как f[u]=g[t].Это поднимает вопрос об отображении значений t в соответствующие значения u.

[0054] Так как в некоторых вариантах реализации изобретения период задающего генератора составляет порядка 100 нс, тогда как требуемая точность синхронизации составляет порядка 1 мсек, проблемой детализации можно будет пренебречь, и будет предположено, что появления импульсов скважинного генератора 124 тактовых импульсов, выполняющего такт J, могут быть сопоставлены с появлениями импульсов задающего тактового генератора, выполняющего такт I. Этим будет определяться отображающая функция между множеством значений {j} и множеством значений {i}.

[0055] Время поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, соответствующее такту I, составляет tI=I*Dt. Время скважинного генератора 124 тактовых импульсов, соответствующее такту J, составляет uJ=J*Dt. Таким образом, время в такте J скважинного генератора 124 тактовых импульсов (измеренное поверхностным генератором 121 тактовых импульсов) имеет вид . Также в случае, когда uJ‘=tI и, следовательно, . Чтобы узнать точное время в скважине, достаточно получить точную оценку ряда {f[u0], f[u1], f[u2],… f[uJ]}. Таким образом, теперь будет обсуждаться определение частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов из скважинных измерений опорного сигнала 168.

[0056] Опорный сигнал 168 передают по нисходящей линии связи с частотой , при этом он может использоваться для создания оценок f2 как функции j (или uj). Без потери общности, сигнал, генерируемый поверхностным генератором 121 тактовых импульсов в точке передачи, имеет вид .

[0057] После передачи опорного сигнала 168 к скважинному приемнику 144 он все еще имеет следующий вид, в единицах времени поверхностного генератора 121 тактовых импульсов:, где B является функцией глубины и линейной функцией от A, и где является фазовым сдвигом опорного сигнала из-за передачи во время выборки i в единицах времени поверхностной системы.

[0058] Учитывая предыдущие предположения, B должна быть медленно изменяющейся функцией глубины и не будет рассматриваться как функция времени, так как ее изменение очень незначительно связано с преобразованием между t и u посредством оценки параметров преобразования. Оценки B в процессе будут часто обновляться.

[0059] ei является выборкой шумового процесса. В случае моделирования процесса, для общности, значение ei может быть получено как сумма нескольких шумовых процессов, возможно, как сумма процессов, пропорциональных:1/частота2, 1/частота, независимо от частоты, и частоты. Используемая модель шума может зависеть от того, как фильтруется принятый опорный сигнал 168.

[0060] Теперь допустим, что Qj выборки принимаемого синхронизирующего сигнала принимаются аналого-цифровым преобразователем 270. Предположим, что шумом от преобразователя 270 можно пренебречь, так как без труда могут быть разработаны схемы с достаточным разрешением для подтверждения данного предположения. Следует отметить, что Qj может варьироваться в зависимости от отношения сигнал/шум. Для простоты данное отношение будет считаться константой, но для оптимизации используемого в анализе значения Qj может быть разработан адаптивный алгоритм, основанный на отношении сигнал/шум. В некоторых вариантах реализации Qj должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что принят по меньшей мере один полный цикл нисходящего сигнала. Подстрочная форма Qj используется вместо простого Q, чтобы подчеркнуть, что частота будет измеряться повторно в течение нескольких временных интервалов.

[0061] Становится возможным установить математическое соответствие уравнения и ряда {Pi} и, следовательно, определить эффективную частоту опорного сигнала 168 с точки зрения скважинной системы. Например, соответствие следующего вида может быть получено с использованием нелинейного метода наименьших квадратов:. Общее предположение, сделанное при составлении данного выражения, заключается в том, что скважинная тактовая частота достаточно стабильна в течение периода выборки, чтобы ее можно было считать постоянной. является оценкой B, является оценкой опорной частоты в единицах времени «u», является фазовым слагаемым, а является шумовым слагаемым.

[0062] Если соответствие является идеальным, то время u’, которое требуется для наблюдения одного цикла опорного сигнала скважинного генератора тактовых импульсов, имеет вид . Таким образом, в случае, когда ω3 > ω2, то истекает меньшее число тактов скважинного генератора 124 тактовых импульсов, чем можно было бы ожидать в случае их синхронизации с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Это означает, что скважинный генератор 124 тактовых импульсов является медленным по сравнению с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Отсюда следует, что . Это связано с тем, что и известны из регрессии. Из-за кумулятивного дрейфа тактовой частоты и эффектов распространения, нельзя считать равным 0. может незначительно меняться в течение периода сбора данных. Однако для данного обсуждения будем считать постоянным.

[0063] В действительности, справедливо следующее соотношение:

[0064] для некоторого целого числа N. Опорная частота намного меньше тактовой частоты. Предполагается, что скважинный генератор тактовых импульсов является достаточно стабильным так, чтобы в любой интересующий временной интервал для системы, N=1. Это возможно исправить путем отслеживания , но это необходимо только в том случае, когда используют недостаточно стабильный скважинный генератор тактовых импульсов.

[0065] Постепенно применяя метод регрессии к скважинным выборкам опорного сигнала, становится возможным построение ряда тактовых частот, представляющего тактовую частоту в центрах временных интервалов, в которых они были измерены. Это может соответствовать тригонометрическому ряду, полиному низкого порядка или другим методам, которые более полно будут рассмотрены ниже. С помощью некоторых из этих методов дрейф тактовой частоты, а также оценка ошибки при дрейфе могут быть рассчитаны как функция времени в скважине. Следовательно, могут быть скорректированы отсчеты тактовой частоты.

[0066] Оценки выборок будут обозначаться как :

[0067]

[0068] То есть,

[0069]

[0070] Данная форма выражения дает понять, что частота ω измеряется относительно частоты поверхностного генератора тактовых импульсов.

[0071] Хотя наиболее общий способ определения параметров B, ω и θ заключается в использовании нелинейного метода наименьших квадратов, такого как метод, доступный в Matlab, такие решения полезны, в основном, для анализа конкретных случаев и при анализе типа Монте-Карло, но в остальном не настолько полезны для получения такого представления, как линейное решение. Предполагая, что частоты двух тактовых генераторов не являются принципиально разными, становится возможной линеаризация данного уравнения.

[0072] Для этого рассмотрим J, заданный формулой

, при этом предполагают следующие условия:

,

,

,

,

, и

.

Также предполагают, что шум не коррелирует с сигналом, и поэтому слагаемые с будут исключены из сумм. Это приближение улучшается по мере увеличения числа слагаемых.

[0073] Далее предполагают, что и . Используя алгебраические преобразования, становится возможным записать

где

,

,

,

*B,

*B,

*B,

и

Ui≡1/2*i2*Δt2*Sin[i*Δt*ω2],

Vi≡1/2*i2*Δt2*Cos[i*Δt*ω2],

Wi≡i*Δt*Sin[i*Δt*ω2],

Xi≡i*Δt*Cos[i*Δt*ω2],

Yi≡Cos[i*Δt*ω2], и

Zi≡Sin[i*Δt*ω2].

[0074] Квадратичные члены в δω, которые были сохранены в D и E, при желании, можно отбросить, но они служат дополнительной мерой изменения частоты.

[0075] По определению B является положительной величиной и может быть определено из . Алгебраический знак B может быть задан произвольно, так как его можно взять в слагаемом θ, которое можно определить по четырехквадрантной арктангенсной функции, используя B и C. Необходимо использовать данную функцию с осторожностью, поскольку данная функция может по-разному определяться в различных математических пакетах.

[0076] Существует несколько способов определения значения δω, включая следующие:

,

, или

.

[0077] Так как θ может быть определено до определения δω, алгебраический знак δω можно определить с помощью A и F. Для правильного решения знаки, полученные с использованием A и F, должны быть согласованы друг с другом.

[0078] Следует отметить, что данные можно исследовать, поскольку они оцифрованы, а точки шума могут быть устранены. Таким образом, в соответствии не нужно использовать каждую выборку. Также может использоваться специализированный ряд Фурье с ограниченным числом включенных частотных слагаемых, возможно, только тех, которые находятся на выбранном удалении от поверхностной тактовой частоты. Это действие может включать регулярное распределение выборок и выбор частоты дискретизации из дискретного набора.

Последствия предположения, что является константой

[0079] Как будет описано ниже, в анализ может быть включен ряд потенциальных источников шума. Ранее предполагалось, что является константой во временном интервале, в течение которого измеряется частота. Однако, в случае продолжения операций бурения это может быть не так, как отображено в последующем анализе. Это подразумевает, что в некоторых вариантах применения полезно, чтобы бурильная колонна во время измерений оставалась неподвижной.

[0080] Скорость распространения незатухающей волны в электропроводящей среде отличается от скорости распространения импульса или скачка ступенчатой функции в поле. Было показано, что в практически однородной среде более поздняя скорость распространения определяется скоростью волны в данной среде, или , где ∈ является диэлектрической проницаемостью среды, а μ является магнитной проницаемостью. Таким образом, скорость волны не зависит от удельной электрической проводимости среды.

[0081] Для незатухающей волны и низких частот (например, частот, при которых диэлектрические потери малы по сравнению с потерями за счет проводимости) скорость распространения в электропроводящей среде определяется выражением

где ω является угловой частотой, а σ является удельной электрической проводимостью среды. Распространение плоской волны, которая практически приближается к распространению сигнала электромагнитной телеметрии (а следовательно, и нисходящего опорного сигнала) вблизи бурильной трубы, имеет вид , где kr и ki являются действительной и мнимой составляющими волнового числа. Для проводящих сред на низких частотах они равны и определяются величиной, обратной глубине скин-слоя:.

[0082] После прохождения расстояния z фаза волны изменяется на kr*z. Это позволяет вычислить фазовый сдвиг для принятого опорного сигнала, предполагая, что свойства однородной среды является функцией частоты, механической скорости проходки и удельной электрической проводимости.

Следовательно, допустим, что механическая скорость проходки (МСП) в метрах/секунду обозначается R. Допустим, что время сбора данных обозначено T (в более ранней терминологии, Q*Δt=T). Тогда фазовый сдвиг при получении опорного сигнала определяется выражением

[0083] Погрешность частоты (в виде дроби) будет равна отношению суммарной прошедшей фазы сигнала к фазовому сдвигу, так что погрешность дробной частоты определяется как , при этом она не зависит от T. При небольшой МСП 6 метров/час, удельной электрической проводимости 0,1 мо/метр (0,1 сименс/метр) и частоте 1 Гц, погрешность частоты составляет 5,27*10-7, что на два порядка выше требуемой.

[0084] Из данного анализа можно сделать вывод, что когда требуется стабильность синхронизации системного генератора тактовых импульсов порядка 10-9, обычно не следует измерять частоту генератора тактовых импульсов при активном бурении. Существуют два фактора, которыми мотивирован данный вывод:

1. Когда является функцией времени, ее результат становится неотъемлемым от дрейфа частоты.

2. При линейном изменении МСП со временем относительная погрешность не зависит от времени.

Следовательно, увеличение времени сбора данных не уменьшит погрешность, обусловленную МСП. Если датчик МСП встроен в скважинный инструмент, МСП можно включить в поправку к измеренной частоте как . Следует отметить, что положительная МСП снижает кажущуюся частоту опорного сигнала.

[0085] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения по мере роста МСП точность измерения снижается. Однако, когда к таким вариантам реализации изобретения добавляется определенный параметр, влияние МСП может быть уменьшено или устранено.

[0086] Например, рассмотрим вариант реализации изобретения, в котором для передачи опорного сигнала в скважине используют электромагнитную телеметрию. В данном случае возможно выполнение непрерывных измерений электрического удельного сопротивления пласта во время бурения. Таким образом, удельная электрическая проводимость может быть известна как функция времени генератора тактовых импульсов. Влияние тонкослоистых пластов незначительно на частотах, подходящих для использования в данной системе, а скорость изменения измеренной глубины может быть оценена по времени между временными перерывами в бурении (для добавления бурильной трубы), причем секцию трубы добавляют при каждом временном перерыве в бурении. Данный промежуток времени приблизительно постоянен и может быть введен в скважинную систему до спуска в скважину или может быть передан в скважинную систему посредством телеметрической нисходящей линии связи. В качестве альтернативы, в случае, когда два датчика поверхностного считывания с одинаковыми или идентичными откликами, расположены в КНБК, то МСП может быть очень быстро определена путем корреляции выходных сигналов этих двух датчиков, причем данный способ хорошо известен специалистам в данной области техники.

[0087] Используя пик корреляции выходных сигналов двух датчиков как функцию времени, можно определить, сколько времени потребовалось для прохождения бурильной колонны из места, в котором (например) была видима граница пласта в нижнем датчике бурильной колонны, до места, где она стала видимой в верхнем датчике бурильной колонны. Поскольку расстояние между двумя датчиками известно, может быть рассчитана механическая скорость проходки. Как только это становится известным, может быть вычислена и использована в качестве поправки погрешность измеренной частоты опорного сигнала относительно частоты в точке ее генерации.

Интерполирование между измерениями

[0088] В тех случаях, когда возможность непрерывного измерения частоты опорного сигнала отсутствует, по-прежнему может быть полезным непрерывное внесение поправок времени скважинного генератора тактовых импульсов. В данном случае поправка известна только в дискретном числе моментов времени (точнее, поправка известна только через дискретное число временных интервалов, в течение которых была определена частота скважинного генератора тактовых импульсов). Тем не менее, должна существовать возможность определения тактовой частоты каждый раз, когда происходит временный перерыв в бурении, и каждый раз, когда выполняются сейсмические измерения во время бурения (поскольку во время таких измерений долото остается неподвижным).

[0089] Значение показателя МСП варьируется в широких пределах, но обычный диапазон находится в пределах от 20 до 200 футов (от 6,09 до 60,96 метров) в час. При временном перерыве в бурении, который происходит каждые 30 метров, для добавления колонны бурильных труб, это соответствует интервалу времени от 4,5 часов до 27 минут. Также в течение максимальной продолжительности срока службы 200 часов будет выполнено неизвестное количество сейсмических измерений во время бурения. В этом случае, помимо измерений, сделанных во время сейсмических измерений во время бурения, в течение продолжительности срока службы будет выполнено от 44 до 444 измерений частоты генератора тактовых импульсов. Эти измерения могут быть приведены в соответствие с временными рядами, такими как тригонометрические ряды или локальные аппроксимации дрейфа частоты, которые могут быть выполнены с использованием многочленов в течение скользящего временного окна. Кроме того, интерполяция между измерениями может быть выполнена с использованием таких методов, как кубические сплайны. Однако, часто бывает полезным использовать методы регрессии, поскольку для этих методов доступны критерии согласия, а также оценки статистической значимости коэффициентов (которые могут быть использованы для моделирования значимости каждого из коэффициентов, используемых в регрессии, а следовательно, для оптимизации конечной модели, выбранной для регрессии), и оценки погрешности в самой модели (которая может быть использована для предоставления некоторой информации, которая в противном случае доступна с помощью анализа дисперсии Аллана).

Учет дрейфа частоты поверхностного задающего генератора

[0090] В предшествующем анализе предполагалось, что дрейф частоты поверхностного задающего генератора настолько мал, что в течение продолжительности срока службы им можно пренебречь. Это предположение не является определяющим, хотя возможно достижение максимальной полезности в случае, когда обеспечивают условия предотвращения дрейфа поверхностного генератора со скоростью, сравнимой со скоростью скважинного генератора колебаний.

[0091] При использовании описанных в данной заявке способов временной коррекции предполагают, что частота поверхностного генератора известна. В случае, когда частота поверхностного задающего генератора дрейфует, но измеряется другим устройством, то данные временные интервалы могут быть скорректированы с использованием регистрации фактической частоты поверхностного задающего генератора как функции времени (поскольку результаты измерения времени в скважине корректировались с учетом предположения того, что частота поверхностного задающего генератора остается фиксированной).

[0092] Кроме того, в случае, когда будет полезно использовать данную коррекцию в реальном масштабе времени в скважине, частота поверхностного генератора может быть передана в скважинную систему по телеметрической нисходящей линии связи (например, электромагнитной или гидроимпульсной телеметрии). Хотя скорости передачи данных являются относительно небольшими, данный способ должен быть достаточным для любой применимой скорости дрейфа, связанной с поверхностным генератором тактовых импульсов.

Источники шума

[0093] Результат скважинного измерения опорного сигнала может быть искажен шумом. Наибольшее влияние источника может зависеть от того, выполняются ли измерения во время бурения или в неподвижном состоянии.

[0094] В неподвижном состоянии или во время бурения в амплитудах может присутствовать электронный шум и магнитотеллурический шум, который искажает измеренный опорный сигнал. Электронный шум следует контролировать на этапе конструирования.

[0095] Магнитотеллурический шум изменяется по мере изменения широты, в определенной степени долготы и локальной удельной электрической проводимости Земли. На Фиг. 3 проиллюстрирован график 300 шума магнитотеллурического электрического поля в зависимости от частоты, взятый из публикации «Magnetotelluric Exploration for Hydrocarbons», Arnold S. Orange, Proceedings of the IEEE, Vol.77, No.2, February 1989, P.287., et. seq. В некоторых вариантах реализации изобретения антенный зазор, используемый для связи между земной поверхностью и скважинным устройством с помощью низкочастотной электромагнитной линии связи, имеет длину не более 2 дюймов (5,08 см). Таким образом, даже при выполнении измерений в полосе шириной 1 Гц, величина ожидаемых шумов при наблюдении опорного сигнала 1 Гц составляет порядка 1,6 нановольт. Кроме того, как электромагнитный сигнал, он должен затухать по такому же закону, что и нисходящий сигнал. Например, когда нисходящий сигнал ослаблен на 60 дБ, магнитотеллурический шум также будет ослаблен на 60 дБ, что составляет порядка пиковольт. Таким образом, магнитотеллурический шум оказывается незначительным при выполнении измерений с использованием изолированного зазора в качестве скважинной антенны.

[0096] В случае, когда измерение выполняют с помощью тороида, то в дополнение к магнитотеллурическим шумам, наведенным вдоль бурильной колонны с помощью ее электрического поля, будет также компонент, наведенный с помощью магнитной индукции непосредственно в тороиде. В качестве примера, на Фиг. 4 проиллюстрирован график 400 шума магнитотеллурического магнитного поля. Данный чертеж взят из книги «Practical Magnetotellurics», Fiona Simpson and Karsten Bahr, The University Press, Cambridge, 2005. На графике видно, что при наблюдении опорного сигнала частотой 1 Гц ожидаемый уровень шума составляет порядка 10-6 нТл2/Гц. Даже при полосе пропускания 1 Гц он составляет порядка 1 пТл, что не наблюдается в большинстве существующих скважинных приборов. Как и в предыдущем случае, очевидно, что данным источником шума можно пренебречь.

[0097] Существует много других источников шума, которые становятся заметными во время бурения при реализации способов из различных вариантов реализации. Например, вклад МСП, о котором упоминалось выше. Кроме того, вращение бурильной колонны, изменение скорости вращения, боковое перемещение инструмента и подскакивание долота на забое могут наводить токи в бурильной колонне. В ходе экспериментов было обнаружено, что при отсутствии изолированного зазора шум от этих источников может достигать 120 нТл в полосе шириной 1 Гц. В отличие от уровней магнитотеллурического шума, в зависимости от того, используется ли в качестве антенны изолированный зазор или тороид, влияние данных источников не может быть незначительным.

[0098] На данный момент было рассмотрено несколько механизмов для измерения частоты распространяемого синхронизирующего сигнала с использованием скважинного задающего генератора. Один из них включает использование триггера Шмитта (или аналогичной схемы) для записи числа тактовых циклов между пересечениями нуля принимаемого сигнала. Этот подсчет используется для оценки периода и, следовательно, частоты принимаемого сигнала в единицах времени в скважине. Также обсуждаются механизмы для улучшения расчетных временных интервалов и для обработки их статистики.

[0099] Другой подход включает преобразование принятого низкочастотного сигнала в цифровую форму с частотой дискретизации, которая определяется используемым скважинным задающим генератором. Регрессии к синусоидальному сигналу с амплитудой и фазой производятся по выбранным временным окнам оцифрованного потока данных. Частоты, восстановленные с использованием методов регрессии, являются частотами наблюдаемых низкочастотных сигналов в единицах времени в скважине.

Подход, в котором используют неточный скважинный генератор тактовых импульсов

[00100] Существует еще один подход, и он будет пояснен ниже. Данный подход включает формирование скважинного тактового сигнала непосредственно из низкочастотного опорного сигнала.

[00101] Деление исходной тактовой частоты на целое число N и умножение на целое число M может быть упрощено до деления на целое число N, возможно, ограничивая диапазон частот, которые могут использоваться. В данном случае скважинный тактовый сигнал может быть сформирован из точного опорного сигнала с помощью аналоговой электроники. Здесь коэффициент «M» может быть выбран таким образом, чтобы подавлять прием гармоник основной частоты. При осуществлении умножения частоты для формирования сигнала, который имеет частоту в N раз больше опорной частоты, может использоваться петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Аналогично, ФАПЧ может применяться к новому сигналу для формирования другого сигнала, имеющего частоту в N/M раз больше опорной частоты, то есть частоты генератора на поверхности Земли. Данный подход может быть достаточным для некоторых вариантов применения, поскольку сигнал, создаваемый ФАПЧ, который кратен опорной частоте, имеет такую же стабильность, что и опорный сигнал. Данный подход с использованием ФАПЧ может быть полезен при использовании опорного сигнала стабильного в течение длительного времени.

[00102] Для уменьшения кратковременных потерь при приеме опорного сигнала и обеспечения лучшей непрерывности, в случае потери опорного сигнала может быть зафиксировано напряжение на генераторе, управляемом напряжением. Это позволит системе продолжать работу через короткие промежутки времени. В качестве варианта, для кратковременных отключений ФАПЧ может использоваться резервный генератор известной частоты, возможно, измеренной с использованием ФАПЧ во время ее работы.

Варианты применения на шельфе

[00103] В некоторых вариантах реализации изобретения для передачи сигнала к скважинному инструменту используют низкочастотное электромагнитное излучение, например, используемое в коммерческой системе электромагнитной телеметрии. Из-за высокой степени затухания электромагнитных сигналов в морской воде данные системы могут оказаться непригодными при глубоководном применении на шельфе с использованием передатчика на поверхности моря, то есть на «уровне моря». Это связано с тем, что морская вода имеет удельную электрическую проводимость около 4 мо/метр (4 сименс/метр), так что сигнал с частотой 1 Гц в системе электромагнитной телеметрии будет ослабляться на коэффициент около 54 дБ при прохождении 1 км морской воды. Однако, некоторые варианты применения на шельфе работают на глубине порядка 2 км.

[00104] Таким образом, при глубине более нескольких сотен метров, электромагнитный сигнал может быть подан с морского дна. В случае, когда сигнал подают с морского дна, потери из-за распространения в море являются несущественными, при этом море действует как заземление системы. Одним из способов подачи сигнала с морского дна является размещение генератора электромагнитных сигналов в модуле или контейнере, который лежит на морском дне и обеспечивает электропитание системы, используя гибкий подводный кабель электропитания, опущенный на морское дно с поверхности Земли. Специалистам в данной области техники известны механизмы, с помощью которых подают электропитание с поверхности Земли на морское дно. Используя аналогичные принципы, можно подавать электропитание с буровой платформы к скважинной электрогенераторной установке через гибкий подводный кабель, как проиллюстрировано на Фиг. 5. Также по гибкому подводному кабелю могут предаваться другие электрические сигналы.

[00105] В варианте реализации изобретения на морском дне может оказаться полезным разместить задающий генератор на морской платформе, поскольку затем его могут использовать в качестве опорного для поверхностной электроники. В данном случае сигнал передают от задающего генератора к передающему устройству на морском дне посредством гибкого подводного кабеля. В качестве варианта, задающий генератор могут располагать на морском дне, а дублирующий задающий генератор могут располагать на буровой платформе. Это может быть более полезно в случае, когда задающий генератор и его дубликат сконструированы как стабильные устройства (например, в некоторых вариантах реализации, имеющие относительную скорость дрейфа менее чем 1 к 109 в течение 200 часов).

[00106] В системе 500, проиллюстрированной на Фиг. 5, сигнал, полученный от задающего генератора поверхностной системы 120, передают на дно моря через гибкий подводный кабель, посредством которого также подают электропитание. Сигнал может быть передан по отдельному проводу или может быть передан вместе с электропитанием с помощью механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники, таких как передача модулированных сигналов по линии электропитания и выделение сигналов из электропитания в скважине. После обеспечения определенных условий электропитание и сигнал используются передатчиком 510, таким как передатчик электромагнитных импульсов, который может входить в состав скважинного устройства 148 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2), и который выполнен с возможностью подачи сигнала между головкой обсадной колонны и удаленной точкой заземления. Для предотвращения электрического контакта с морской водой кабели, используемые для передачи сигнала к головке обсадной колонны и удаленной точке заземления, должны быть изолированы надлежащим образом.

В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 6, система 600 содержит задающий генератор в поверхностной системе 120 и задающий генератор в блоке 610 на морском дне (который может содержать передатчик 510 и один или более компонентов скважинного устройства 148, проиллюстрированных на Фиг. 1 и 2). Во многих вариантах применения эти два блока должны иметь относительный дрейф по отношению друг к другу менее чем 1 к 109. На больших глубинах температура окружающей среды должна быть относительно стабильной, и генератор, расположенный на морском дне, может быть стабилизирован с использованием механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники.

Альтернативные источники сигнала

[00107] В некоторых вариантах реализации сигнал от источника передается посредством акустической телеметрии. Таким образом, акустическая несущая волна такой системы может использоваться непосредственно для передачи опорного сигнала. В вертикальной скважине глубиной более 1000 метров или горизонтальной скважине длиной более 1000 метров могут осуществлять повторение несущей волны. Следовательно, в некоторых вариантах реализации изобретения может быть добавлен повторитель со стабильной задержкой. Это может быть достигнуто путем использования одной или более петель ФАПЧ, при этом может быть затруднено достижение требуемой стабильности.

[00108] Другой подход состоит в повторении сигнала после его приема в узкой полосе пропускания. Это возможно, поскольку частота сигнала точно известна. Для более достоверного воспроизведения сигнала без внесения шума данные повторители могут быть расположены более близко друг к другу (например, в пределах порога обнаружения). По мере добавления в систему бурильных труб положения полос пропускания телеметрии могут изменяться. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота опорного сигнала может изменяться в соответствии с информацией, передаваемой к скважинной системе.

[00109] Другой подход состоит в модулировании несущей частоты акустической телеметрии низкочастотным опорным сигналом (здесь термин «опорный сигнал» используется для обозначения сигнала с точной частотой, генерируемой поверхностным блоком). В данном случае нестабильность несущей частоты является меньшей проблемой.

[00110] На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант реализации повторителя 190. Опорный сигнал может быть регенерирован при наличии несущей, с использованием данного типа устройства. Сначала для приема акустического сигнала используют преобразователь 710. Сигнал демодулируют с использованием известных методов для получения копии опорного сигнала 720. С помощью узкополосного фильтра 730 из опорного сигнала удаляют шум. Отдельный сигнал 740 несущей генерируется на частоте, лежащей в полосе пропускания акустической системы телеметрии, но вне полосы принимаемой частоты. Эта несущая 740 модулируется регенерированным опорным сигналом и используется для возбуждения акустического сигнала 750 в бурильной колонне с помощью усилителя 760 мощности.

[00111] В некоторых вариантах реализации изобретения сигнал от источника передается посредством сейсмической сигнализации. В данном случае может быть полезна пневматическая пушка, особенно при использовании в качестве шельфовых сейсмических источников. Они формируют импульсы акустического излучения с характерным сигналом, который возникает из собственных колебаний пузырьков, создаваемых данными источниками. С помощью данных пушек можно подавать сигналы в очень точные моменты времени и, следовательно, с точными интервалами времени. Однако для целей, описанных в данной заявке, данный тип пушки должен подавать сигналы с постоянной скоростью в течение больших интервалов времени. Подобным образом могут использоваться сейсмические источники на основе плазменного разряда.

[00112] Сейсмические источники незатухающей волны могут формироваться с помощью сейсмических вибраторов для распространения сигналов энергии в окружающую среду в течение продолжительного периода времени, в отличие от почти мгновенной энергии, создаваемой импульсными источниками. Сигнал источника, использующего данный способ, может генерироваться с помощью сервоуправляемого гидравлического вибратора или вибрационной установки, установленной на подвижном основании; также были разработаны электромеханические варианты. Данный источник также может функционировать и в наземных вариантах применения. Шельфовые варианты применения должны быть выполнены с возможностью управления данным типом устройства на морском дне с помощью гибкого подводного кабеля, проиллюстрированного на Фиг. 5. Поскольку данные устройства являются электромеханическими, возможна точная синхронизация, поэтому они могут управляться как высокоэнергетические сейсмические источники с относительно высокой стабильностью частоты.

[00113] Тактовая синхронизация сейсмического вибратора аналогична тактовой синхронизации электромагнитного сигнала. Вместо того чтобы использовать скважинную ЭМ-антенну, используют геофон, гидрофон или акселерометр. Следует отметить, что скорости сейсмических волн соизмеримы со скоростями электромагнитных волн в умеренно проводящей среде. Следовательно, предыдущий анализ показывает, что более полезным может быть проведение измерений синхронизации с любым типом сейсмической системы во время остановки операции бурения.

[00114] Другим механизмом, который может использоваться для передачи опорного сигнала к скважинной системе, является гидроимпульсная телеметрия. Таким образом, некоторые варианты реализации изобретения могут содержать поверхностный передатчик для генерирования импульсов давления, систему управления и скважинный приемник для приема и декодирования импульсов. Работой данной системы можно управлять с высокой степенью точности. Управление работой нисходящей линии связи осуществляют посредством открытия и закрытия дросселя, управляемого с помощью компьютера. Вместо использования данной системы в качестве телеметрической нисходящей линии связи ее можно циклически использовать на постоянной частоте и, таким образом, использовать для передачи сигнала на частоте опорного сигнала в скважине — посредством модуляции давления в потоке бурового раствора.

[00115] В системе гидроимпульсной телеметрии скважинный приемник электромагнитных импульсов может быть заменен преобразователем давления в пробуренной скважине скважинной системы. Частоту сигнала следует выбирать так, чтобы она находилась за пределами полосы частот нисходящей и восходящей линии связи телеметрии, а также диапазона частот, обычно генерируемых насосами, используемыми для циркуляции бурового раствора. Следовательно, может быть выбрана опорная частота, которая значительно ниже 1 Гц. Как и в случае с сейсмическими источниками, измерения синхронизации с использованием гидроимпульсной телеметрии могут быть более эффективными во время прекращения операций бурения.

[00116] Таким образом, ссылаясь на Фиг. 1-7, можно увидеть, что может быть реализовано множество вариантов реализации изобретения, содержащих устройство 148, которое содержит скважинный генератор 124 тактовых импульсов, приемную схему (возможно, комбинацию приемника 144 и приемного элемента 136), измерительную схему 180, 280 и процессор 128, 228.

[00117] Например, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать скважинный генератор 124 тактовых импульсов и приемный элемент 136, выполненный с возможностью приема производного тактового сигнала в случае, когда скважинный генератор 124 тактовых импульсов расположен в скважине. При этом производный тактовый сигнал получен из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов, причем частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала. Устройство 148 может дополнительно содержать измерительную схему 180, выполненную с возможностью измерения частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором 121 тактовых импульсов для обеспечения измеренной частоты, а также процессор 128, 228, выполненный с возможностью определения фактической частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов, основываясь на измеренной частоте.

[00118] Для ограждения и защиты скважинного генератора 124 тактовых импульсов и процессора 128, 228 может быть использован корпус. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать корпус (например, в составе инструмента 156 для сейсмических измерений во время бурения) для размещения скважинного генератора 124 тактовых импульсов и процессора 128, 228. Как будет более подробно рассмотрено ниже, корпус может включать любое количество корпусов приборов, включая переводник бурильной колонны или зонд на кабеле (см., например, элемент 970 на Фиг. 9, и элемент 1024 на Фиг. 10).

[00119] Приемный элемент 136 может быть выполнен в виде изолированного зазора, катушки (например, тороидальной катушки индуктивности) или других компонентов. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения приемный элемент 136 содержит один или более изолированных зазоров 132 и/или одну или более катушек 140.

[00120] Также устройство может содержать механизм передачи, выполненный с возможностью передачи в скважине производного тактового сигнала. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 содержит передатчик (например, усилитель мощности 164 и/или повторитель 190) для передачи производного тактового сигнала к приемному элементу 136.

[00121] Для передачи производного тактового сигнала в скважине могут использоваться различные механизмы. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения передатчик 510 содержит один или более источников телеметрических сигналов, один или более источников сейсмических сигналов и/или один или более источников волн давления. В некоторых вариантах реализации изобретения источник телеметрических сигналов включает источник акустических телеметрических сигналов. В некоторых вариантах реализации изобретения источник телеметрических сигналов включает источник электромагнитных телеметрических сигналов.

[00122] Передатчик 510 может быть расположен, среди прочих мест, на поверхности Земли, выше или ниже береговой линии. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения передатчик располагают на морском дне, как проиллюстрировано на Фиг. 5 и 6.

[00123] Поверхностный генератор 121 тактовых импульсов может быть расположен, среди прочих мест, на поверхности Земли (выше или ниже береговой линии) или на буровой установке. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения поверхностный генератор 121 тактовых импульсов располагают на морском дне, на буровой установке или на суше выше береговой линии, как проиллюстрировано на Фиг. 5 и 6.

[00124] Для распространения производного тактового сигнала может быть использован повторитель для коррекции несущей, выполненный с возможностью улучшения качества передаваемого сигнала путем смещения несущей частоты за пределы ожидаемого диапазона интерферирующих помех. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать один или более повторителей 190 для приема производного тактового сигнала в сочетании с первой несущей частотой, и повторной передачи производного тактового сигнала в сочетании со второй несущей частотой, отличной от первой несущей частоты. Некоторые варианты реализации изобретения включают ряд способов.

[00125] Например, на Фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема, поясняющая несколько способов 811 в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Один способ 811 может включать прием в скважине сигнала, производного из поверхностного тактового сигнала на этапе 825, измерение частоты производного тактового сигнала с использованием скважинного тактового сигнала на этапе 829 и определение фактической скважинной тактовой частоты, основываясь на измерении, на этапе 837. Возможен ряд дополнительных вариантов реализации изобретения.

[00126] Например, производный сигнал может быть принят с помощью ряда элементов, включая изолированный зазор или катушку. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает передачу в скважине производного тактового сигнала на этапе 821, возможно, к изолированному зазору или катушке.

[00127] Производный тактовый сигнал может быть передан в обсадную колонну скважины для распространения переданного сигнала от поверхности до местоположения скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, действие в блоке 821 может содержать передачу производного тактового сигнала в обсадную колонну скважины.

[00128] Производный тактовый сигнал может формироваться на поверхности Земли или буровой платформы. Поверхность Земли может включать сушу или подводную поверхность Земли, такую как риф или дно океана. Таким образом, действие на этапе 821 может включать передачу производного тактового сигнала с поверхности Земли или буровой платформы.

[00129] В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает прием производного тактового сигнала в скважине на этапе 825, причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным тактовым генератором. В некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала.

[00130] В случае, когда не выполнялась компенсация механической скорости проходки или в случае, когда условия бурения являются слишком шумными, может оказаться полезным приостановить операции бурения и выполнить при этом калибровочные измерения скважинного тактового сигнала. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения действие на этапе 825 может включать прием производного тактового сигнала в изолированном зазоре бурильной колонны во время паузы в бурильной операции, когда буровое долото, связанное с бурильной колонной, находится в неподвижном состоянии.

[00131] В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 на этапе 829 включает измерение частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов для обеспечения эквивалента измеренной частоты. Например, эквивалент измеренной частоты производного тактового сигнала может являться его фактической частотой или эквивалентом фактической частоты, таким как его период.

[00132] Поэтому в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала может быть определена посредством использования скважинного тактового сигнала для измерения длины отдельных производных тактовых циклов. Таким образом, действие на этапе 829 может включать подсчет количества тактов скважинного генератора тактовых импульсов, определяемых предварительно выбранным числом циклов, связанных с производным тактовым сигналом, причем период каждого из тактов скважинного генератора тактовых импульсов определяется с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00133] В некоторых вариантах реализации изобретения для определения частоты производного тактового сигнала может быть использовано обнаружение событий пересечения нуля, связанных с производным тактовым сигналом. Таким образом, действие на этапе 829 может включать дискретизацию аналоговой формы сигнала производного тактового сигнала с интервалами, определенными с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00134] В некоторых вариантах реализации изобретения может оказаться полезным преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и оценка частоты цифрового сигнала. Таким образом, действие на этапе 829 может включать преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и оценку частоты цифрового сигнала в соответствии с интервалами, определенными по нескорректированной скважинной тактовой частоте.

[00135] Механическая скорость проходки, которая наблюдается во время операций бурения, может оказывать влияние на фазу производного тактового сигнала. Некоторые варианты реализации изобретения выполнены с возможностью оценки или измерения механической скорости проходки в реальном масштабе времени, так чтобы могли быть выполнены соответствующие корректировки для производных тактовых сигналов. Таким образом, способ 811 может продолжаться на этапе 833, и включает корректировку эквивалента измеренной частоты в соответствии с измеренной или предполагаемой механической скоростью проходки, связанной со скважинной операцией бурения.

[00136] Способ 811 может продолжаться на этапе 837, который включает определение фактической частоты скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты. Для определения фактической скважинной тактовой частоты может быть реализовано отображение между тактами поверхностного генератора тактовых импульсов и тактами скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, действие на этапе 837 может включать определение отображения между тактами поверхностного генератора тактовых импульсов и тактами скважинного генератора тактовых импульсов.

[00137] В некоторых вариантах реализации изобретения после определения фактической скважинной тактовой частоты может быть осуществлена корректировка результатов измерений, выполненных скважинным генератором тактовых импульсов. Таким образом, способ 811 может перейти к этапу 845, который включает корректировку результатов измерения времени, выполненную с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов. В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает повторение одного или более действий на этапах 821, 825, 829, 833, 837 и 845.

[00138] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота принятого опорного сигнала не измеряется непосредственно, но вместо этого корректируют дискретизированные временные интервалы путем их умножения на отношение ожидаемого числа выборок за цикл к числу выборок, принятых за цикл. Это может указывать, например, на то, что, если имеется слишком много выборок, временные интервалы в скважине короче, чем на поверхности, и наоборот. В данном методе, основанном на времени, фактические измерения времени могут затем корректироваться таким же образом, как и при описанном ранее методе с производной частотой.

[00139] Такое же приемное устройство может использоваться для указания начала цикла опорного сигнала или для оцифровки опорного сигнала. Также будет полезным такой же тип регрессий. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения действие на этапе 845 может включать корректировку результатов измерения времени, выполненную с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты производного тактового сигнала (например, фактической частоте производного тактового сигнала или эквиваленте, таком как период производного тактового сигнала) или на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов.

[00140] Стабильность поверхностного генератора тактовых импульсов должна быть выше стабильности скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения стабильность частоты поверхностного тактового сигнала может быть по меньшей мере в десять раз выше стабильности нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00141] Частота производного тактового сигнала в большинстве вариантов реализации изобретения будет относительно низкой по сравнению с поверхностной или скважинной тактовыми частотами. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала составляет от около 0,1 до около 100 циклов в секунду. В некоторых вариантах реализации изобретения частота поверхностного тактового сигнала приблизительно такая же, как нескорректированная скважинная тактовая частота.

[00142] Частота производного тактового сигнала может быть определена путем умножения и деления или деления и умножения частоты поверхностного тактового сигнала, возможно, на целые величины. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала связана с частотой поверхностного тактового сигнала с помощью коэффициента M/N, где M и N являются целыми числами.

[00143] Следует отметить, что описанные в данной заявке способы не должны выполняться в описанном порядке или в каком-либо определенном порядке. Кроме того, различные действия, описанные в отношении способов, указанных в данной заявке, могут выполняться итерационно, последовательно или параллельно. Различные элементы каждого способа (например, действия и способы, проиллюстрированные на Фиг. 8) могут быть заменены один на другой в пределах и между различными частями действий и способов. Информация, включая параметры, команды, операнды и другие данные, может быть передана и принята в виде одной или более несущих волн.

[00144] На Фиг. 9 проиллюстрирован вариант реализации кабельной системы 964 по данному изобретению, а на Фиг. 10 проиллюстрирован вариант реализации буровой установки 1064 по данному изобретению. Таким образом, системы 964, 1064 могут содержать элементы корпуса 970 кабельного каротажного прибора во время операции кабельного каротажа или скважинного инструмента 1024 во время операции бурения с забойным двигателем.

[00145] Ссылаясь на Фиг. 9, можно увидеть скважину во время выполнения операций кабельного каротажа. В этом случае буровая платформа 986 оборудована буровой вышкой 988, которая выполнена с возможностью удержания талевого блока 990.

[00146] Бурение нефтяных и газовых скважин обычно осуществляется с использованием колонны бурильных труб, соединенных между собой, для образования бурильной колонны, которая опускается через роторный стол 910 в ствол скважины или скважину 912. Здесь предполагается, что бурильная колонна была временно извлечена из скважины 912, чтобы обеспечить возможность спуска корпуса 970 кабельного каротажного прибора, такого как прибор для скважинных исследований или зонд, спускаемый с помощью талевого каната или каротажного кабеля 974 в скважину 912. Как правило, корпус 970 кабельного каротажного прибора опускают на дно исследуемой области и затем тянут вверх, в основном, с постоянной скоростью.

[00147] Во время подъема на ряде глубин различные инструменты (например, элементы устройства 148 и/или система 120, проиллюстрированные на Фиг. 1 и 2), расположенные в корпусе 970 прибора, могут быть использованы для выполнения измерений в подземных геологических пластах 914 рядом со скважиной 912 (и корпусом 970 прибора). Данные измерений могут быть переданы к каротажному оборудованию 992, расположенному на поверхности, для обработки, анализа и/или хранения. Каротажное оборудование 992 может содержать электронное оборудование для обработки сигналов различных типов, которое может быть реализовано с помощью любого одного или нескольких компонентов системы 120 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2). Аналогичные данные оценки параметров продуктивного пласта могут быть собраны и проанализированы в ходе буровых работ (например, во время операций каротажа или измерений во время бурения (КВБ/ИВБ) и, следовательно, отбора проб во время бурения).

[00148] В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 970 прибора подвешивают в буровой скважине с помощью каротажного кабеля 974, который соединяет прибор с поверхностным блоком управления (например, содержащим рабочую станцию 954). Прибор может быть размещен в стволе скважины 912 на колонне гибких насосно-компрессорных труб, на сочлененной буровой трубе, на жестко смонтированной буровой трубе или на любых других подходящих технических средствах для размещения оборудования.

[00149] Обратившись к Фиг. 10, можно увидеть, что система 1064 также может входить в состав буровой установки 1002, размещенной на поверхности земли 1004, с которой пробурена скважина 1006. Буровая вышка 1002 выполнена с возможностью обеспечения опоры для бурильной колонны 1008. Бурильная колонна 1008 может проходить через роторный стол 910 для бурения ствола скважины 912 через подземные геологические пласты 914. Бурильная колонна 1008 может содержать ведущую трубу 1016, бурильную трубу 1018 и компоновку низа бурильной колонны 1020, возможно, расположенную в нижней части бурильной трубы 1018. Как проиллюстрировано на фигуре, система 1064 может содержать одно или более устройств 148 и/или систему 120, проиллюстрированные на Фиг. 1 и 2, включая элементы их компонентов (например, повторитель (повторители) 190).

[00150] Компоновка низа бурильной колонны 1020 может содержать утяжеленные бурильные трубы 1022, скважинный прибор 1024, а также буровое долото 1026. Буровое долото 1026 выполнено с возможностью создания буровой скважины 912 путем прохождения через поверхность земли 1004 и подземные геологические пласты 914. Скважинный прибор 1024 может содержать любое количество приборов различных типов, включая приборы ИВБ, приборы КВБ и другие.

[00151] Во время операций бурения бурильная колонна 1008 (возможно, содержащая ведущую трубу 1016, бурильную трубу 1018, а также компоновку низа бурильной колонны 1020) может вращаться с помощью роторного стола 410. Несмотря на то, что не проиллюстрировано на фигуре, в дополнение или в качестве альтернативы, компоновка низа бурильной колонны 1020 также может приводиться во вращение с помощью двигателя (например, забойного двигателя), расположенного в забое скважины. Утяжеленные бурильные трубы 1022 могут использоваться для увеличения веса бурового долота 1026. Утяжеленные бурильные трубы 1022 также могут повышать жесткость компоновки низа бурильной колонны 1020, позволяя компоновке низа бурильной колонны 1020 передавать дополнительный вес на буровое долото 1026 и, в свою очередь, содействовать проникновению бурового долота 1026 через поверхность 1004 и подземные пласты 414.

[00152] Во время буровых работ буровой насос 1032 может закачивать флюид (иногда известный специалистам в данной области техники как «буровой раствор») из бака для бурового раствора 1034 через шланг 1036 в бурильную трубу 1018 и вниз к буровому долоту 1026. Флюид может вытекать из бурового долота 1026 и возвращаться на поверхность 1004 через кольцевое пространство 1040 между бурильной трубой 1018 и боковыми стенками ствола скважины 912. После этого флюид может быть возвращен в бак для бурового раствора 1034, в котором данный флюид фильтруют. В некоторых вариантах реализации изобретения флюид может использоваться для охлаждения бурового долота 1026, а также для обеспечения смазки бурового долота 1026 во время операций бурения. Кроме того, флюид может использоваться для удаления осколков подземной породы, образованных во время работы бурового долота 1026.

[00153] Таким образом, ссылаясь на Фиг. 1-7 и 9-10, можно увидеть, что в некоторых вариантах реализации изобретения системы 964, 1064 могут содержать утяжеленную бурильную трубу 1022, скважинный инструмент 1024 и/или корпус 970 кабельного каротажного прибора для размещения одного или более устройств 148, аналогичных или идентичных устройству 148, описанному выше и проиллюстрированному на Фиг. 1 и 2. Компоненты системы 120 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2) также могут быть размещены в корпусе 970 прибора или на инструменте 1024.

[00154] Таким образом, в контексте данного документа термин «корпус» может включать любую одну или более утяжеленных бурильных труб 1022, скважинный инструмент 1024 или корпус 970 кабельного каротажного прибора (все они содержат внешнюю поверхность для размещения или закрепления магнитометров, акустических преобразователей, устройств для отбора проб жидкости, устройств измерения давления, устройств измерения температуры, устройств измерения времени, передатчиков, приемников, повторителей, логических схем сбора и обработки данных, а также систем сбора данных). Инструмент 1024 может содержать скважинный инструмент, такой как инструмент КВБ или инструмент ИВБ. Корпус 970 кабельного каротажного прибора может содержать кабельный каротажный прибор, включая прибор для скважинных исследований или зонд, например, соединенный с каротажным кабелем 974. Таким образом, могут быть реализованы многие варианты реализации изобретения.

[00155] Например, в некоторых вариантах реализации изобретения система 964, 1064 может содержать дисплей 996, выполненный с возможностью предоставления информации измерений синхронизации, как измеренной так и обработанной/скорректированной, так и информации базы данных, возможно, в графическом виде. Система 964, 1064 может также содержать вычислительную логику, возможно, в составе каротажного оборудования 992, расположенного на поверхности, или компьютерную рабочую станцию 1054 для передачи сигналов к передатчикам и для приема сигналов от приемников, а также других приборов для определения свойств пласта 914, основываясь на принимаемых сигналах, или их откалиброванных версиях.

[00156] Таким образом, система 964, 1064 может содержать корпус, такой как корпус 970 кабельного каротажного прибора, или скважинный инструмент 1024 (например, корпус инструмента КВБ или ИВБ) и элементы одного или более устройств 148 и/или системы 120, прикрепленные к корпусу прибора, причем устройство 148 и/или система 120 должны быть сконструированы и эксплуатироваться, как описано выше.

[00157] Все компоненты устройства 148 и систем 120, 964, 1064 могут быть охарактеризованы как «модули». Такие модули могут включать схемы аппаратных средств и/или схемы процессора и/или памяти, модули программ, реализованных программно, и объекты и/или программно-аппаратные средства и их комбинации, в зависимости от архитектуры устройства 148 и систем 120, 964, 1064 и в зависимости от конкретных реализаций различных вариантов реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения такие модули могут быть включены в пакет моделирования работы устройства и/или системы, такой как программный пакет моделирования электрического сигнала, пакет моделирования потребления энергии и ее распределения, пакет моделирования рассеяния мощности/тепла и/или в комбинацию программного обеспечения и аппаратных средств, используемых для имитации работы различных возможных вариантов реализации изобретения.

[00158] Следует также понимать, что устройства и системы различных вариантов реализации изобретения могут использоваться в вариантах применения, отличных от операций бурения, и, следовательно, различные варианты реализации изобретения не должны быть настолько ограниченными. Примеры устройства 148 и системы 120, 964, 1064 предназначены для обеспечения общего понимания структуры различных вариантов реализации изобретения, и не предназначены для того, чтобы служить полным описанием всех элементов и признаков устройств и систем, которые могут привести к использованию структур, описанных в данной заявке.

[00159] Варианты применения, которые могут включать новое устройство и системы различных вариантов реализации изобретения, включают электронные схемы, используемые в высокоскоростных компьютерах, схемы связи и обработки сигналов, модемы, процессорные модули, встроенные процессоры, коммутаторы данных и специализированные модули. Такие устройства и системы могут также быть включены, среди прочего, в качестве субкомпонентов в различные электронные системы, такие как телевизоры, сотовые телефоны, персональные компьютеры, рабочие станции, радиоприемники, видеопроигрыватели, транспортные средства, средства обработки сигналов для геотермических инструментов и узлы сопряжения интеллектуальных датчиков систем телеметрии.

[00160] После прочтения и понимания содержания данного описания специалистам в данной области техники будет понятно, каким образом можно запустить программу с машиночитаемого носителя в компьютерной системе для выполнения функций, определенных в программном обеспечении. Специалистам в данной области техники также будут понятны различные языки программирования, которые могут быть использованы для создания одной или более программ, выполненных с возможностью реализации и выполнения описанных в данной заявке способов. Например, программы могут быть структурированы в объектно-ориентированном формате с использованием объектно-ориентированного языка, такого как Java или C#. В другом примере программы могут быть структурированы в процедурно-ориентированном формате с использованием процедурного языка, такого как язык ассемблера или C. Программные компоненты могут взаимодействовать с использованием любого из нескольких механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники, таких как интерфейсы прикладных программ или методы межпроцессного взаимодействия, включая удаленный вызов процедур. Идеи различных вариантов реализации изобретения не ограничены каким-либо конкретным языком или средой программирования. Таким образом, могут быть реализованы другие варианты реализации изобретения.

[00161] Например, на Фиг. 11 проиллюстрирована блок-схема изделия 1100, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения, такого как компьютер, система памяти, магнитный или оптический диск или какое-либо другое запоминающее устройство. Изделие 1100 может содержать один или более процессоров 1116, связанных с машинно-доступным носителем, таким как запоминающее устройство 1136 (например, съемный носитель данных, а также любое материальное, энергонезависимое запоминающее устройство, содержащее электрический, оптический или электромагнитный проводник), содержащее сопутствующую информацию 1138 (например, команды компьютерной программы и/или данные), которые при выполнении одним или более процессорами 1116 приводят к выполнению в составе конкретной машины (например, изделия 1100) любых действий, описанных в отношении способов на Фиг. 8, устройства на Фиг. 1 и 2, и систем на Фиг. 1, 2, 9 и 10. Процессоры 1116 могут включать один или более процессоров, предлагаемых корпорацией Intel (например, семейства процессоров Intel® Core ™), Advanced Micro Devices (например, процессоры AMD Athlon ™) и других производителей полупроводниковых устройств.

[00162] В некоторых вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать один или более процессоров 1116, соединенных с дисплеем 1118 для отображения данных, обработанных процессором 1116 и/или беспроводным приемопередатчиком 1120 (например, приемопередатчиком для скважинной телеметрии) для приема и передачи данных, обрабатываемых посредством процессора.

[00163] Система (системы) памяти, входящие в состав изделия 1100, могут включать память 1136, содержащую энергозависимую память (например, динамическое ОЗУ) и/или энергонезависимую память. Память 1136 может использоваться для хранения данных 1140, обрабатываемых процессором 1116.

[00164] В различных вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать устройство 1122 связи, которое в свою очередь может содержать усилители 1126 (например, предусилители или усилители мощности) и одну или более антенн 1124 (например, передающие антенны и/или приемные антенны). Сигналы 1142, принятые или переданные устройством 1122 связи, могут обрабатываться в соответствии с описанными в данной заявке способами.

[00165] Возможны многие варианты реализации изделия 1100. Например, в различных вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать скважинный инструмент, содержащий устройство 148, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2. В некоторых вариантах реализации изобретения изделие 1100 подобно или идентично устройству 148 или системам 120, проиллюстрированным на Фиг. 1 и 2.

[00166] Таким образом, устройство, системы и способы, описанные в данной заявке, позволяют корректировать дрейф скважинного генератора тактовых импульсов, используя синхронизацию от поверхностного генератора тактовых импульсов. В некоторых вариантах реализации изобретения это может быть реализовано посредством синхронизации скважинного генератора тактовых импульсов, используя синхронизацию задающего генератора данного генератора тактовых импульсов с задающим генератором на поверхности Земли. В большинстве вариантов реализации изобретения никакие определенные временные величины не коррелируются или не обновляются. Такая синхронизация может быть достигнута с помощью кабельных и других механизмов.

[00167] Во многих вариантах реализации изобретения синхронизация может быть достигнута посредством формирования стабильного низкочастотного сигнала от стабильного высокочастотного генератора на поверхности Земли. Данный сигнал может распространяться с помощью различных механизмов (например, электромагнитных волн, акустических, сейсмических или волн давления) к скважинным датчикам, которые преобразуют данный сигнал в электрический сигнал. Для производного тактового сигнала используется низкая частота, поскольку в противном случае потери распространения могут быть неприемлемыми.

[00168] Используя описанные в данной заявке устройство, системы и способы, можно измерить кажущуюся частоту принятого сигнала в единицах частоты скважинного задающего генератора. Так как частота принятого сигнала точно известна, это позволяет корректировать частоту скважинного задающего генератора. Сохраняя отметку времени фактической частоты скважинного задающего генератора (в единицах времени, измеренных от скважинного задающего генератора), можно сопоставить единицы времени в скважине с единицами времени, полученными от задающего генератора на поверхности Земли.

[00169] В силу описанных причин может быть значительно увеличена точность хронометрирования в скважине. Таким образом, может быть значительно повышен экономический эффект от услуг, предоставляемых компанией по эксплуатации/разведке нефтегазовых месторождений.

[00170] Сопроводительные фигуры, являющиеся частью данного документа, отображают в виде иллюстраций, но без ввода ограничений, конкретные варианты реализации изобретения, в которых предмет изобретения может быть осуществлен на практике. Проиллюстрированные варианты реализации изобретения описаны с детализацией, достаточной для предоставления специалистам в данной области техники возможности практической реализации изложенных в данной заявке идей. Возможно использование других вариантов реализации изобретения и производных от них — таких, что возможны структурные и логические подстановки и изменения без отступления от объема данного изобретения. Поэтому данному подробному описанию не следует придавать ограничительный смысл, и объем различных вариантов реализации определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, а также полным диапазоном действия эквивалентов, которые законно приданы данной формуле.

[00171] Такие варианты реализации предмета изобретения могут быть указаны в данном документе, индивидуально или в совокупности, под названием «изобретение» исключительно для удобства и без намерения умышленно ограничить объем данной заявки каким-либо одним изобретением или идеей изобретения, если количество их раскрытий по существу превышает единицу. Таким образом, несмотря на то, что в данной заявке были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты реализации изобретения, следует понимать, что любая конструкция, рассчитанная на достижение такой же цели, может быть подставлена вместо представленных конкретных вариантов реализации изобретения. Данное описание изобретения призвано охватить любые и все адаптации и вариации различных вариантов реализации изобретения. Комбинации описанных выше вариантов реализации изобретения и других вариантов реализации, конкретно не описанных в данной заявке, будут очевидны для специалистов в данной области техники после изучения приведенного выше описания.

[00172] Реферат изобретения представлен в соответствии с параграфом 1.72(b) раздела 37 Свода федеральных правил (37 C.F.R. 1.72(b)), который требует быстрого понимания характера технической стороны изобретения читателем. Он введен с пониманием того, что не будет применен для интерпретации или ограничения объема и смысла формулы изобретения. Кроме того, в приведенном выше подробном описании сущности изобретения различные характерные элементы сгруппированы вместе в одном варианте реализации изобретения с целью оптимизации описания. Такой способ описания не подразумевает, что указанные в формуле изобретения варианты реализации требуют большее количество характерных элементов, чем явным образом указано в каждом пункте формулы изобретения. Напротив, как указано в представленной ниже формуле изобретения, предмет изобретения характеризуется меньшим числом признаков, чем содержится в отдельном описанном варианте реализации изобретения. Таким образом, приложенная формула изобретения включена в настоящее подробное описание сущности изобретения, причем каждый пункт формулы изобретения является независимым и представляет отдельный вариант реализации изобретения.












Что такое тактовый цикл и тактовая частота?



Я читал книгу о процессоре компьютера. И я столкнулся с некоторыми терминами, такими как тиканье часов, тактовый цикл и тактовая частота, которые мне очень трудно понять. Я буду очень благодарен, если кто-нибудь сможет объяснить это простым языком. Заранее спасибо !

cpu terminology clock processor
Поделиться Источник Unknown     27 апреля 2017 в 08:01

2 ответа


  • Понимание Часов

    Мне просто было интересно, правильно ли я понимаю часы, пока это то, что я понимаю. Таким образом, существует генератор тактовых импульсов, который может быть либо часами, либо кварцевым генератором, либо кварцевым генератором, управляемым напряжением. Этот генератор тактовых импульсов создает…

  • операции с плавающей запятой за цикл — intel

    Я искал довольно долго и, похоже, не могу найти официальную/окончательную цифру, указывающую количество операций с плавающей запятой одной точности/тактовый цикл, который может выполнить Intel Xeon quadcore. У меня есть Intel Xeon quadcore E5530 CPU. Я надеюсь использовать его для расчета…



39

Скорость компьютерного процессора, или CPU, определяется тактовым циклом , который представляет собой промежуток времени между двумя импульсами генератора. Вообще говоря, чем больше число импульсов в секунду, тем быстрее процессор компьютера сможет обрабатывать информацию. Тактовая частота измеряется в Гц, обычно либо в мегагерцах (MHz), либо в гигагерцах (GHz). Например, процессор с частотой 4 ГГц выполняет 4 000 000 000 тактов в секунду. Компьютерные процессоры могут выполнять одну или несколько инструкций за такт, в зависимости от типа процессора. Ранние компьютерные процессоры и более медленные процессоры могут выполнять только одну инструкцию за такт, но более быстрые и продвинутые процессоры могут выполнять несколько инструкций за такт, обрабатывая данные более эффективно.

С другой стороны, тактовая частота (иногда называемая тактовой частотой) относится к числу импульсов в секунду, генерируемых генератором, который задает темп для процессора. Тактовая частота обычно измеряется в MHz (мегагерц, или миллионы импульсов в секунду) или GHz (гигагерц, или миллиарды импульсов в секунду). Современные персональные компьютеры работают с тактовой частотой в сотни мегагерц, а некоторые превышают один гигагерц. Тактовая частота определяется кварцевой схемой, аналогичной тем, которые используются в оборудовании радиосвязи.

Поделиться Unknown     27 апреля 2017 в 08:09



1

Тактовый цикл-это один период осциллирующего тактового сигнала.

Тактовая частота, частота и частота используются для описания одного и того же: число тактов в секунду, измеренное в Герцах (Гц).

Непонятно, что тактовая частота может также относиться к времени тактового цикла, которое является длиной тактового цикла или промежутком времени между тактами часов.

Поделиться Piano Telope     02 ноября 2019 в 15:47


Похожие вопросы:


Attiny13 тактовая частота и ADC

Я работаю с Attiny13 AVR, который запрограммирован на arduino UNO над SPI. Я нашел ядро для attiny13 и содержимое файла boards.txt следующим образом; #attiny13.name=Attiny13 @ 128 KHz (internal…


Что такое частота загрузки и частота обновления в хранилище данных?

Что такое частота загрузки и частота обновления в хранилище данных? Как они различаются?


Попытка понять, что такое тактовый цикл, на примере

Я пытаюсь полностью понять, что такое тактовый цикл, поэтому я придумал тестовый пример, который я хотел бы, чтобы кто-то подтвердил или развеял и предложил лучшее понимание. Если у меня есть эта…


Понимание Часов

Мне просто было интересно, правильно ли я понимаю часы, пока это то, что я понимаю. Таким образом, существует генератор тактовых импульсов, который может быть либо часами, либо кварцевым…


операции с плавающей запятой за цикл — intel

Я искал довольно долго и, похоже, не могу найти официальную/окончательную цифру, указывающую количество операций с плавающей запятой одной точности/тактовый цикл, который может выполнить Intel Xeon…


Максимальная тактовая частота на DE1-SOC

Какова максимальная тактовая частота, которая может быть сгенерирована с помощью Altera PLLs в плате DE1-SOC?


FPGA какая тактовая частота

У меня есть ПЛИС, которая принимает последовательные данные со скоростью передачи данных, скажем, 4.8 Кбит / с. Теперь я не уверен, на какой тактовой частоте должна работать моя ПЛИС, чтобы…


Какова тактовая частота моего чипового процессора?

My My PC показывает, что мой процессор i7-8550U CPU @ 1.80 GHz 1.99 GHz. Интересно, какая у меня тактовая частота чипа intel-1.8 или 1.99?


минимальная тактовая частота, необходимая для реализации chirp на встроенных устройствах

Я планирую реализовать chirp через nrf52840. Его максимальная тактовая частота составляет 64 МГц. какова минимальная тактовая частота, необходимая для реализации chirp на microcontroller? Будет ли…


Таким образом, пока выбор чипа включен, если тактовая частота изменяется, но все еще находится в пределах указанного диапазона, будет ли связь spi?

При общении с ведомым устройством будет ли SPI связь, если тактовая частота и частота изменяются?

Прецизионный генератор тактовых сигналов AURALiC LEO GX

AURALiC LEO GX открывает новое направление развития систем тактовой синхронизации в цифровой аудиотехнике: для измерений его технических параметров пришлось применять специальную сверхточную измерительную аппаратуру. Рекордные данные измерений стабильности тактирующих импульсов приводят и к заметному на слух результату: при прослушивании с LEO GX отчетливо улучшается глубина и ширина стерео панорамы, точность локализации звуковых образов в ней, расширяется динамический диапазон и многие другие аспекты качества звучания. Изящные и уникальные технические решения позволили  LEO GX в прямом и переносном смысле обойти стороной недостатки встроенных тактовых генераторов обычных ЦАПов.

 

Новый подход к тактовой синхронизации

 

Развитие цифровой аудиотехники в целом и форматов записи/хранения фонограмм движется очень быстро. С каждым шагом к более высокому разрешению сигнала возрастают требования к системе тактовой синхронизации, которая становится все более высокочастотной. Например: повышение разрядности цифрового сигнала расширяет динамический диапазон, но также требует повышения частоты работы генератора синхроимпульсов в десятки раз. Чем точнее тактовый генератор ЦАПа, чем выше в нем скорость формирования тактовых импульсов — тем он дороже и труднее в разработке и производстве.

 

Традиционная система

 

Представим, что к ЦАПу подключен внешний прецизионный тактовый генератор. В обычном случае ЦАП теперь сверяет свой опорный сигнал с внешним с помощью схемы фазовой автоподстройки (PLL). Но такие схемы сами генерируют электромагнитные помехи, что негативно влияет на стабильность и джиттер. С помощью фазовой автоподстройки опорный сигнал ЦАП можно в каких-то пределах подогнать к эталонному задающему, но скорость переключения — и, как следствие, точность восстановления аналогового сигнала — все равно ограничивается характеристиками уже имеющегося в ЦАПе тактового генератора.

 

 

Метод прямой подачи на ЦАП Direct-to-DAC

 

Использование транспорта-стримера VEGA G2 с внешним тактовым генератором LEO GX позволяет получить недостижимый в других случаях режим работы с нулевым джиттером. В отличие от описанного выше традиционного метода, в таком включении VEGA G2 просто полностью отключает внутреннюю систему тактовой синхронизации и переходит на работу с прецизионным тактовым сигналом напрямую от LEO GX. Необходимость в схеме фазовой автоподстройки (PLL) отпадает, ограничения и недостатки «старого» подхода устранены.

 

Рекордные характеристики

 

Точность работы генератора LEO GX настолько высока, что имеющаяся измерительная аппаратура и методики измерений работают ниже пороговых величин и не могут правильно отразить полученные технические параметры. Инженерами AURALiC используются другие метрологические подходы, в частности, основанные на девиации Аллана (когда измеряется не просто отклонение частоты от среднего значения, а разность между соседними последовательными значениями за некое время наблюдения). Анализируя фазовый шум частоты с помощью девиации Аллана, можно измерить ничтожные по величине колебания частоты следования синхроимпульсов — ±1 Гц или даже ±0,1 Гц. Для LEO GX девиация Аллана составляет 2e–12 (за 1 секунду), что идентично данным измерений 10-мегагерцового рубидиевого квантового генератора с уровнем фазовых шумов менее ±1 Гц на уровне -110 дБс/Гц, а по уровню джиттера пересчитывается в значение в 500 раз меньшее, чем у кварцевого ультрапрецизионного осциллятора с периодом колебаний в 82 фемтосекунды.

 

Структура системы тактирования

 

В основе блок-схемы LEO GX лежат два рубидиевых стандарта частоты (прецизионные генераторы на основе квантового перехода атомов рубидия из одного энергетического диапазона в другой). На каждый из них опирается (сверяет частоту) отборный кварцевый резонатор с точной кристаллографической ориентацией, термостабильный, механически стабильный и ультрамалошумящий. В результате LEO GX работает на очень высоких частотах формирования тактовых импульсов: 90,316 МГц для сигналов с частотой дискретизации 44 кГц и 98,304 МГц — для сигналов 48 кГц.

 

Оптическая изоляция

 

Перекрестные связи и помехи непосредственно влияют на джиттер тактового сигнала, и поэтому в LEO GX принят целый комплекс мер по устранению шумов и помех. Наиболее эффективной оказалась оптическая изоляция электронных узлов схемы друг от друга. Например, сигнал управления от микропроцессора подается на блок генератора по фиброволоконной «оптике», что убирает источник перекрестной связи и помех.

 

 

Корпус серии G

 

Стандартный корпус «верхней» серии G компонентов AURALiC называется Unity Chassis и вытачивается из цельной алюминиевой заготовки. Такой корпус экранирует схемы внутри LEO GX от радиочастотных помех и поддерживает сверхвысокую точность синхросигнала, который подается на ЦАП серии G.

 

Механическая балансировка

 

Ключевые узлы и платы LEO GX расположены в корпусе так, чтобы получить сбалансированную механическую конструкцию без резонансов. Борьбе с распространением вибраций и резонансов способствуют также специально разработанные опорные шипы — фундамент для тактового сигнала  всегда устойчив.

 

Сдвоенное стабильное питание

 

В LEO GX используются два малошумящих линейных блока электропитания Purer-Power, причем, ради борьбы с шумами и перекрестными помехами, они изолированы друг от друга гальванически. Один блок питания работает только на микропроцессор управления LEO GX, а второй снабжает стабилизированным напряжением тактовый генератор. Таким образом, взаимопроникновение помех исключено и точность синхросигнала сохраняется неизменной.

 

Качество соединений тоже важно

 

Рекордная стабильность тактового генератора LEO GX и высокая частота следования тактирующих импульсов предъявляют высокие требования к качеству кабеля, передающего тактовый сигнал. Специально для LEO GX разработан уникальный высокочастотный кабель с верхней частотой пропускания в 60 ГГц, в котором применены материалы и разъемы военной приемки из аэрокосмической техники.  Каждый кабель собирается и настраивается вручную, ОТК прикладывает к каждому экземпляру протокол измерений — пользователь должен быть уверен в качестве соединений.

 

 

Технические характеристики

 

Стандартные тесты

Девиация Аллана: 2e–12 (за 1 с)

Эквивалентный джиттер: в 500 раз меньше, чем у 82-фемтосекундного генератора (в диапазоне 1 Гц—10 Гц)

Эквивалентный фазовый шум: –110 dBc/Гц при отстройке 1 Гц (частота анализа 10 МГц)

 

Генератор

Частота: 90,3168 МГц (для 44,1 кГц) / 98,3040 МГц (для 48 кГц)

Выходной сигнал: 3,3 В (Direct-to-DAC)

Стандарт частоты: рубидиевый квантовый генератор с термостабилизацией

Резонатор: SC cконтролем температуры

 

Диапазон частот дискретизации аудиосигнала

PCM (импульсно-кодовая модуляция): от 44.1 кГц до 384 кГц, разрядность до 32 бит

DSD: от DSD64 до DSD512

 

Управление

Частота дискретизации аудиосигнала задается по интерфейсу Lightning-Link от VEGA G2

 

Стабилизированное питание

Два линейных блока питания Purer-Power, разработанных специально для аудио.

Амплитуда шумов и пульсаций не более 10 мкВ.

 

Методы защиты от помех

Оптическая изоляция между схемами управления и генерации синхроимпульсов

Экранирующий алюминиевый корпус Unity Chassis

 

Сетевое подключение

Проводное, Gigabit Ethernet (для обновления встроенного ПО микропроцессора)

 

Потребляемая от электросети мощность

При старте: не более 30 Вт

В рабочем режиме: 15 Вт

 

Габариты, Ш x Г x В

34 x 32 x 8 см

 

Масса

8.1 кг

 

Отделка

Матовый черный анодированный литой корпус из алюминия

 

Комплектация

Прецизионный генератор тактовых сигналов AURALiC LEO GX

Шестигранный ключ (для фиксации разъемов соединительного кабеля)

Руководство пользователя

Кабель электропитания

Кабель Lightning Link

В базовой комплектации: высокочастотный межблочный кабель для тактового сигнала

В премиум-комплектации: межблочный кабель для тактового сигнала с полосой пропускания 60 ГГц

МЭМС-генераторы для промышленного применения

Тактовые генераторы — неотъемлемая часть современных радиоэлектронных приборов. Области промышленного применения генераторов — медицинская электроника и системы жизнеобеспечения, метрология и автоматизация производственных процессов, связь и транспорт, аэрокосмическая промышленность и военная техника — диктуют жесткие требования к тактовым генераторам. В первую очередь это стабильность частоты при воздействии повышенной и пониженной температуры, вибрации и других внешних факторов.

Введение

Традиционно для стабилизации тактовой частоты использовались кварцевые и пьезокерамические резонаторы [1, 2]. Сегодня на смену им пришли МЭМС-генераторы, обеспечивающие высокую стабильность и надежность при малых габаритах и низком энергопотреблении.

МЭМС-генератор — это, по существу, микросхема, объединяющая в одном корпусе резонатор и синтезатор частоты (рис. 1).

рис. 1. Функциональная схема МЭМС-резонатора

MEMS-резонаторы имеют линейные размеры менее 500 мкм и высоту менее 200 мкм, что делает их на 90% меньше, чем кварцевые резонаторы. На рис. 2 в одном масштабе показаны самый маленький керамический резонатор для поверхностного монтажа (слева) и МЭМС-резонатор.

рис. 2. Керамический и МЭМС-резонаторы

Благодаря миниатюрности МЭМС-генератор особенно подходит для мобильных устройств.

Один из лидеров рынка МЭМС-генераторов, компания SiTime, предлагает МЭМС-генераторы для промышленного применения, обладающие непревзойденными характеристиками.

Микрогабариты

SiTime позиционирует свои изделия как замену кварцевым генераторам. Благодаря малым размерам МЭМС-генераторы занимают меньше места на плате, чем кварцевые резонаторы, и могут быть установлены на их площадки. Стандартные размеры МЭМС-генераторов SiTime выбраны из соображений простоты модернизации радиоэлектронной аппаратуры и имеют следующие величины (ДхШ): 2×1,6; 2,5×2; 3,2х2,5; 5×3,2; 7×5 мм.

Компания выпускает МЭМС-генераторы в корпусах типов CSP: 1508; QFN: 2016, 2520, 3225, 5032, 7050; SOT23-5: 2928; SMD: 3225, 5032, 7050.

Стабильность тактовой частоты

В таблице приведены основные характеристики МЭМС-генераторов семейства SiT20хх от SiTime. Особое внимание следует обратить на относительную стабильность частоты, которая включает начальное отклонение при изготовлении, уход из-за старения в течение первого года, температурную нестабильность, уход из-за колебаний напряжения питания и влияния нагрузки. Стабильность частоты измеряется в ppm (part per million — 10-6 от номинальной частоты).

Таблица. Характеристики семейства SiT20xx

наименование Частота, МГц Стабильность частоты, ppm напряжение питания, В Диапазон рабочих температур, °C Тип и размеры корпуса
SIT2018 1-110 ±20 ±25 ±50 1,8 или 2,5—3,3 -40…+105 или -40…+ 125  (2,9х 2,8)
SIT2019 115-137
SiT2020 1-110 -55…+125
SiT2021 119-137

Например, уход частоты генератора SiT2020BM-S1 с номинальной частотой 100 МГц не превысит 2 кГц (20 ppm) в диапазоне температур -55.. .+125 °C.

Также компания выпускает МЭМС-генераторы с нестабильностью до ±0,05 ppm на частоты до 220 МГц и ±10 ppm на частоты до 725 МГц.

Таким образом, по стабильности частоты МЭМС-генераторы вполне могут заменить кварцевые и тем более керамические резонаторы.

Гибкая конфигурация

На протяжении десятилетий длительный срок изготовления кварцевых резонаторов с индустриальными параметрами «под заказ» был ахиллесовой пятой кварцевой промышленности. Например, резонатор на частоту 72320 кГц для передатчиков популярного диапазона LPD433 приходилось ожидать многие недели после заказа. Положение изменилось, когда появились МЭМС-генераторы.

В марте 2020 года компания SiTime объявила о доступности МЭМС-генераторов в течение 48 ч по всему миру. За счет чего удалось достичь таких успехов?

Генераторы SiTime имеют программируемую архитектуру, которая позволяет настраивать несколько параметров устройства, включая выходную частоту (с точностью до шести десятичных знаков), стабильность частоты и напряжение питания в пределах рабочего диапазона прибора. Компания серийно выпускает обширный ассортимент универсальных генераторов на разные диапазоны, которые хранятся на складах и в кратчайший срок программируются дистрибьюторами под конкретные требования заказчика.

Стремясь еще более сократить этот срок, компания SiTime разработала способ программирования генераторов в «полевых условиях», то есть у заказчика.

Программирование рабочей частоты осуществляется с помощью персонального компьютера и программатора (рис. 3).

Рис. 3. Программатор и интерфейс программы

Процесс программирования занимает несколько секунд и, помимо частоты и других настроек, позволяет задать функцию управляющего контакта.

Микропотребление

Тактовые генераторы МЭМС отличаются экономичностью. Так, генератор SiT2018B потребляет не более 4,7 мA при напряжении питания 3,3 В (на рабочей частоте 20 МГц).

Схема подключения МЭМС-генератора (рис. 4) содержит управляющий контакт с программируемыми функциями OE/ST, предназначенный для управления энергопотреблением.

Рис. 4. Схема подключения МЭМС-генератора SiT2018B

Функция OE (Output Enable) позволяет выключать выходной каскад генератора, при этом потребляемый ток снижается до 3,5 мА. Поскольку задающий генератор продолжает работать, время включения выходного сигнала не превышает 1 мкс. Функция ST предназначена для перевода в режим ожидания (Standbay), в котором задающий генератор отключается и потребляемый ток не превышает 8,5 мкА. Это очень важно для приборов с батарейным питанием, в частности для медицинской аппаратуры индивидуального мониторинга. Время выхода из режима ожидания и установления выходного сигнала составляет несколько миллисекунд.

Электромагнитная совместимость

Во многих применениях, таких как видеокамеры, дисплеи, многофункциональные принтеры, и других важно минимизировать уровень электромагнитного излучения, источником которого служит тактовый генератор.

Но самой серьезной проблемой электромагнитная совместимость (ЭМС) становится в медицинской электронике. Помехи могут привести к сбоям в работе медицинских устройств, что чревато опасными последствиями. Стандарты ЭМС, такие как IEC 606011-2, обязательны в большинстве стран мира и предписывают нормы на устойчивость радиоэлектронной аппаратуры к электромагнитным помехам от внешних источников, а также ограничение уровней собственных излучений. Экранирование и фильтрация являются общими методами, используемыми для минимизации электромагнитных помех, но экран занимает место на плате устройства и увеличивает его стоимость. Кроме того, зачастую невозможно экранировать все медицинское оборудование.

Оба типа проблем ЭМС (помехоустойчивость и излучение собственных помех) в генераторах MEMS существенно снижены благодаря миниатюрности и могут быть дополнительно уменьшены за счет правильного программирования.

Выходной сигнал генераторов MEMS является основным источником непрерывного электромагнитного излучения. Как известно, частотный спектр сигнала прямоугольной формы состоит из основного тона, а также из набора высших гармоник. Снижение уровня энергии, исходящей от генератора, представляется эффективным методом уменьшения помех. Это может быть достигнуто с помощью генераторов с растянутым спектром или с помощью программируемого снижения выходной мощности до необходимого и достаточного уровня.

В качестве примера на рис. 5 показаны графики снижения амплитуды гармоник тактовой частоты за счет программируемого увеличения времени нарастания trise выходных импульсов.

рис. 5. Зависимость амплитуды гармоник от времени нарастания тактового импульса

Стойкость к вибрации и ударам

При эксплуатации радиоэлектронное оборудование для транспорта подвергается вибрациям и ударам. Кварцевые резонаторы представляют собой консольные структуры, чувствительные к механическим воздействиям. Механические колебания кварцевых кристаллов приводят к модуляции частоты тактового генератора, а удары могут вывести его из строя. Резонаторы МЭМС существенно меньше подвержены механическим воздействиям, поскольку их масса в тысячи раз меньше. На рис. 6 показаны результаты сравнительных испытаний генератора SiTime и кварцованных генераторов двух известных производителей на воздействие синусоидальной вибрации с частотой до 1000 Гц. В ходе испытаний измерялась вибрационная чувствительность, равная отношению ухода частоты к вызвавшему его ускорению, причем уход выражается в миллиардных долях номинальной частоты (parts per billion, ppb), а ускорение в единицах ускорения свободного падения — в g (g = 9,8 м/с2).

рис. 6. Чувствительность к воздействию вибрации

Генератор MEMS производства SiTime превзошел другие устройства в 10-100 раз.

Еще более убедительно генераторы SiTime доказали свое преимущество в испытаниях на ударном стенде. Они выдержали удары с ускорением до 50 000g, в то время как кварцованные генераторы выходили из строя при ускорении 100—1500g.

Фазовые шумы, или джиттер

Очень важным фактором, определяющим потенциальное быстродействие радиоэлектронных устройств, является джиттер — паразитная фазовая модуляция сигнала тактовой частоты. Джиттер оценивают как время отклонения фронтов тактовых импульсов от идеального положения. Различают пиковый джиттер — максимальное отклонение, и среднеквадратический. Чересчур большой джиттер приводит к рассинхронизации узлов радиоэлектронных систем. Генераторы SiTime отличаются весьма малыми значениями джиттера. В качестве примера можно привести семейство генераторов SiT9120, SiT9121 и SiT9122, которые перекрывают диапазон частот 1-625 МГц и способны обеспечить нестабильность частоты менее 10 ppm при температурах -40.. .+85 °C.

Среднеквадратический джиттер у этих генераторов составляет 0,6 пс.

Важная особенность — дифференциальный выход. Это улучшает синхронизацию удаленных узлов системы и уменьшает электромагнитное излучение.

Надежность

Возможно, одно из самых больших преимуществ МЭМС-генераторов состоит в исключительной надежности. Компания SiTime зафиксировала всего два отказа на 1 млн выпущенных генераторов. Это лучший показатель в отрасли, и он меньше в сотни раз, чем у кварцевых резонаторов.

Заключение

МЭМС-генераторы уверенно заменяют кварцевые благодаря сочетанию таких преимуществ, как:

  • минимальные габариты;
  • стабильность частоты;
  • программирование пользователем — ускоренная разработка новых устройств;
  • более высокая надежность: наработка на отказ более 1 млрд ч против 25 млн ч;
  • электромагнитная совместимость, позволяющая снизить уровень электромагнитных помех без модернизации платы и металлического экрана;
  • стойкость к ударам и вибрации.

Литература

1. Иванов Ю., Никонов А., Котюков А. Использование прецизионных генераторов в аппаратуре стандарта 5G // Современная электроника. 2019. № 3.

2. Левашов Ю. Керамические резонаторы // Компоненты и технологии. 2003. № 3.

Опубликовано в журнале «Компоненты и Технологии» №5-2020

https://kit-e.ru/


Популярно и просто о том, что это такое − тактовая частота процессора

 

CPU – central processing unit, или центральное обрабатывающее устройство. Представляет собой интегральную схему, которая выполняет машинные инструкции. 

Содержание:

[show/hide]

Что такое CPU компьютера?

Внешне современный ЦП выглядит как небольшой блок размером около 4-5 см с контактами-ножками на нижней части. Хоть и принято называть этот блок процессором, сама интегральная схема находится внутри этого корпуса и представляет собой кристалл кремния, на который с помощью литографии наносятся электронные компоненты.

Верхняя часть корпуса ЦП служит для отвода тепла, которое образуется в результате работы миллиарда транзисторов. На нижней части расположены контакты, которые нужны для соединения чипа с материнской платой с помощью сокета — определённого разъёма. ЦП — самая производительная часть компьютера.

Тактовая частота как важный параметр работы процессора, и на что она влияет

Производительность процессора принято оценивать по его тактовой частоте. Это количество операций или тактов, которые может произвести ЦП за секунду. По сути, время, за которое процессор обрабатывает информацию. Вся загвоздка заключается в том, что разные архитектуры и устройство ЦП могут выполнять операции за различное количество тактов. То есть, одному ЦП для определённой задачи может понадобиться один такт, а другому — 4. Таким образом, первый может оказаться более эффективным со значением в 200 МГц, против второго с показателем в 600 МГц.

То есть тактовая частота, по сути, не даёт полного определения производительности процессора, что обычно позиционируется многими именно так. Но мы привыкли оценивать её из-за более-менее устоявшихся норм. Например, для современных моделей актуальный разбег в цифрах составляет от 2,5 до 3,7 ГГц, а нередко и выше. Естественно, что чем больше значение, тем лучше. Однако это не означает, что на рынке не существует процессора с меньшей частотой, но работающего гораздо эффективней. 

Принцип действия генератора тактовой частоты

Все компоненты ПК работают с разной скоростью. Например, системная шина может быть 100 МГц, ЦП − 2,8 ГГц, а оперативная память — 800 МГц. Базовый показатель для системы задаёт генератор тактовых импульсов. Чаще всего в современных компьютерах используется программируемая микросхема генерации, которая определяет значение для каждого компонента в отдельности. Принцип действия простейшего генератора тактовых импульсов заключается в вырабатывании электрических импульсов с определённым временным интервалом. Самый наглядный пример использования генератора — электронные часы. С помощью подсчёта тактов формируются секунды, из них − уже минуты и затем часы. О том, что такое Гигагерцы, Мегагерцы и т.д., мы расскажем чуть позже. 

Как скорость работы компьютера и ноутбука зависит от тактовой частоты

Частота работы процессора отвечает за количество тактов, которое может выполнить компьютер в одну секунду, что, в свою очередь, отражает производительность. Однако не стоит забывать о том, что разные архитектуры используют различное количество тактов для решения одной задачи. То есть, «меряться показателями» актуально в рамках хотя бы одного класса процессоров.

На что влияет тактовая частота одноядерного процессора в компьютере и ноутбуке

Одноядерные ЦП уже редко где можно встретить в природе. Но для примера их использовать можно. Одно ядро процессора содержит в своём составе как минимум входящее в него арифметико-логическое устройство, набор регистров, пару уровней кэша и сопроцессор.

Раскладка литографии для размещения на ЦП. Частота, с которой все эти компоненты выполняют свои задачи, напрямую влияет на общую производительность ЦП. Но, опять же, при относительно схожей архитектуре и механизме выполнения команд.

На что влияет количество ядер в ноутбуке

Показатели ядер ЦП не складывается. То есть если 4 ядра работают на 2 ГГц, то это не значит, что их общее значение равно 8 ГГц. Потому что задачи в многоядерных архитектурах выполняются параллельно. То есть, определённый набор команд раздаётся ядрам по частям, а после выполнения каждой формируется общий ответ.

Каждое ядро представляет собой отдельный ЦП.Таким образом, определённая задача может быть выполнена быстрее. Вся проблема заключается в том, что не все программные обеспечения умеют работать с несколькими потоками одновременно. То есть, до сих пор большинство приложений, по сути, задействует всего лишь одно ядро. Существуют, конечно, механизмы на уровне операционной системы, которые могут распараллеливать задачи на разные ядра, например, одно приложение загружает одно ядро, другое — второе и т.д. Но на это также требуются ресурсы системы. Но, в общем, оптимизированные программы и игры показывают гораздо большую производительность в многоядерных системах. 

В чём измеряется тактовая частота процессора

Единица измерения Герц обычно показывает количество выполнения периодических процессов за одну секунду. Это и стало идеальным решением для того, в каких единицах будет измеряться тактовая частота процессора. Теперь работа всех чипов стала измеряться в Герцах. Ну, сейчас уже − ГГц. Гига — это такая приставка, показывающая, что здесь содержится 1000000000 Герц. За всю историю ПК приставки часто менялись — КГц, затем МГц, и сейчас наиболее актуальна ГГц. В спецификациях ЦП можно встретить и английские аббревиатуры — MHz или GHz. Обозначают такие приставки то же, что и в кириллице.

Как узнать частоту процессора своего компьютера

Для операционной системы Windows существует несколько простых способов, как штатных, так и с помощью сторонних программ. Самый простой и очевидный — щёлкнуть правой кнопкой по значку «Мой компьютер» и зайти в его свойства. Рядом с именем ЦП и его характеристиками будет указана и его частота.

Из сторонних решений можно использовать небольшую, но известную программку CPU-Z. Её лишь нужно скачать, установить и запустить. В главном окне она покажет текущую тактовую частоту. Кроме этих данных, она отображает и много другой полезной информации.

Какими способами можно увеличить производительность

Для того чтобы повысить производительность, существуют два основных способа: увеличить множитель и частоту системной шины. Множитель — это коэффициент, показывающий отношение базовой частоты процессора к базовому показателю системной шины. 

С помощью азотного охлаждения оверклокеры разгоняют свои ПК до фантастических показателей Он устанавливается заводом изготовителем и в конечном устройстве может быть либо заблокирован для изменений, либо разблокирован. Если возможность изменить множитель есть, то значит, можно увеличить и частоту работы процессора, без внесения изменений в работу других компонентов. Но на практике такой подход не даёт эффективного прироста, так как остальные просто не успевают за ЦП. Изменение показателя системной шины приведёт к увеличению значений всех компонентов: процессора, оперативной памяти, северного и южного мостов. Это наиболее простой и эффективный способ разгона компьютера.

Разогнать ПК в целом можно и с помощью повышения напряжения, которое увеличит скорость работы транзисторов ЦП, а вместе с этим и его частоту. Но такой способ довольно сложный и опасный для новичков. Используют его в основном опытные в разгоне и электронике люди.

 

Что такое тактовая частота? — Определение с сайта WhatIs.com

От

В компьютере тактовая частота означает количество импульсов в секунду, генерируемых генератором, который устанавливает темп для процессора. Тактовая частота обычно измеряется в МГц (мегагерцы или миллионы импульсов в секунду) или ГГц (гигагерцы или миллиарды импульсов в секунду). Сегодняшние персональные компьютеры работают с тактовой частотой в сотни мегагерц, а некоторые превышают один гигагерц. Тактовая частота определяется кварцевой схемой, аналогичной той, что используется в оборудовании радиосвязи.

Тактовая частота компьютера ежегодно увеличивается примерно вдвое. Intel 8088, распространенный в компьютерах примерно в 1980 году, работал на частоте 4,77 МГц. Отметка в 1 ГГц была пройдена в 2000 году.

Тактовая частота является одним из показателей «мощности» компьютера, но не всегда прямо пропорциональна уровню производительности. Если вы удвоите скорость часов, оставив все остальное оборудование без изменений, вы не обязательно удвоите скорость обработки. Тип микропроцессора, архитектура шины и характер набора команд имеют значение.В некоторых приложениях также важен объем оперативной памяти (ОЗУ).

Некоторые процессоры выполняют только одну инструкцию за тактовый импульс. Более продвинутые процессоры могут выполнять более одной инструкции за тактовый импульс. Последний тип процессора будет работать быстрее на данной тактовой частоте, чем первый тип. Точно так же компьютер с 32-битной шиной будет работать быстрее при заданной тактовой частоте, чем компьютер с 16-битной шиной. По этим причинам не существует упрощенного универсального соотношения между тактовой частотой, «скоростью шины» и миллионами инструкций в секунду (MIPS).

Чрезмерно высокая тактовая частота может отрицательно сказаться на работе компьютера. По мере того, как тактовая частота компьютера увеличивается без обновления каких-либо других компонентов, будет достигнута точка, за которой дальнейшее увеличение частоты сделает процессор нестабильным. Некоторые пользователи компьютеров намеренно увеличивают тактовую частоту, надеясь, что одно только это приведет к пропорциональному повышению производительности, и разочаровываются, когда что-то не получается.

Последний раз обновлялся в апреле 2005 г.

Какова тактовая частота процессора? Базовое определение

(Изображение предоставлено KPG Ivary / Shutterstock)

Тактовая частота процессора показывает, сколько циклов в секунду он может выполнять.Тактовая частота также называется тактовой частотой, частотой ПК и частотой процессора. Это измеряется в гигагерцах, что означает миллиарды импульсов в секунду и обозначается сокращенно GHz.

Тактовая частота ПК является показателем его производительности и того, насколько быстро ЦП может обрабатывать данные (перемещать отдельные биты). Более высокая частота (большее число) предполагает лучшую производительность в обычных задачах, например, в играх. ЦП с более высокой тактовой частотой обычно лучше, если все остальные факторы равны, но это сочетание тактовой частоты, количества инструкций, которые ЦП может обработать за цикл (также известных как инструкции за тактовый цикл / такт или сокращенно IPC) и количество ядер ЦП все помогает определить общую производительность.

Обратите внимание, что тактовая частота отличается от количества ядер процессора; ядра помогают справляться с менее распространенными и трудоемкими рабочими нагрузками. Тактовую частоту также не следует путать со скоростью шины , которая сообщает вам, насколько быстро ПК может взаимодействовать с внешними периферийными устройствами или компонентами, такими как мышь, клавиатура и монитор.

Большинство современных процессоров работают в диапазоне тактовых частот, от минимальной «базовой» тактовой частоты до максимальной «турбо» скорости (которая выше / выше). Когда процессор сталкивается с требовательной задачей, он может временно повысить тактовую частоту, чтобы работа выполнялась быстрее.Однако более высокие тактовые частоты выделяют больше тепла, и, чтобы избежать опасного перегрева, процессоры будут «дросселировать» до более низкой частоты, когда они становятся слишком горячими. Более качественный кулер ЦП приведет к более устойчивым скоростям.

При покупке ПК его тактовая частота является хорошим показателем производительности, но не единственной, которую следует учитывать при принятии решения о том, достаточно ли быстр для вас. Другие факторы включают, опять же, скорость шины и количество ядер, а также жесткий диск, RAM и SSD (твердотельный накопитель) .

Вы можете достичь более высоких тактовых частот с помощью процесса, называемого разгоном.

Эта статья является частью Tom’s Hardware Glossary .

Дополнительная литература:

cpu — Как измеряется тактовая частота и что это означает?

Что означает цикл?

Clock — это сигнал, используемый для синхронизации вещей внутри компьютер. Взгляните на рисунок 2, где показаны типичные часы. сигнал: это прямоугольная волна, изменяющаяся от «0» до «1» с фиксированной скоростью.На этом рисунке вы можете увидеть три полных тактовых цикла («тактов»). В начало каждого цикла — это когда тактовый сигнал переходит с «0» на «1»; мы отметили это стрелкой. Тактовый сигнал измеряется в единицах называется Герц (Гц), который представляет собой количество тактовых циклов в секунду. А частота 100 МГц означает, что за одну секунду приходится 100 миллионов часов циклы.

В компьютере все тайминги измеряются в тактовых циклах.

Исходные часы


Как цикл влияет на скорость обработки?

Думать, что частота и производительность — одно и то же, распространенное заблуждение о процессорах.

Если вы сравните два полностью идентичных процессора, один из них более высокая тактовая частота будет быстрее. В этом случае с более высокими часами скорости, время между каждым тактовым циклом будет короче, поэтому будет выполняться за меньшее время, а производительность будет выше. Но когда вы сравниваете два разных процессора, это не так. обязательно правда.

Если у вас два процессора с разной архитектурой — например, два разных производителя, такие как Intel и AMD — вещи внутри CPU совсем другие.

Как мы уже упоминали, каждая инструкция занимает определенное количество часов. циклы, которые необходимо выполнить. Допустим, процессор «А» занимает семь тактов. циклов для выполнения данной инструкции, и этот процессор «B» занимает пять тактов для выполнения этой же инструкции. Если они работает с той же тактовой частотой, процессор «B» будет быстрее, потому что он может обработать эту инструкцию меньше времени.

Для современных ЦП гораздо важнее игра производительности, так как ЦП иметь разное количество исполнительных блоков, разный размер кеша, разные способы передачи данных внутри процессора, разные способы обработка инструкций внутри исполнительных блоков, разные тактовая частота с внешним миром и т. д.

Исходные часы


Дополнительная литература

Как измеряется скорость процессора?

Как измеряется скорость процессора?

Обзор производительности ЦП

Скорость процессора — центральный фактор в производительности компьютера. Хотя многие люди используют тактовую частоту процессора для измерения производительности, это не единственная переменная, которую следует учитывать. Такие элементы, как передняя шина и кэш, также играют важную роль в скорости процессора.

Тактовая частота

Наиболее распространенным показателем скорости процессора является тактовая частота, которая измеряется в МГц или ГГц. Один ГГц равен 1000 МГц, поэтому скорость 2,4 ГГц также может быть выражена как 2400 МГц. Чем выше тактовая частота, тем больше операций может выполнять ЦП в секунду. Важно понимать, что тактовая частота процессора — не единственный фактор, определяющий производительность. Из-за различий в архитектуре микросхем один процессор может выполнять больше операций, чем другой за один цикл.Следовательно, даже если первый процессор имеет более низкую тактовую частоту, чем второй, на самом деле он может быть быстрее.

Многоядерная технология

Некоторые процессоры являются «двухъядерными» или «четырехъядерными». Эти термины указывают на использование нескольких процессоров в одной цепи. Идея, лежащая в основе этой концепции, заключается в повышении скорости обработки за счет использования двух или более процессоров, которые могут работать независимо или совместно. Фактическое преимущество перед одноядерным процессором варьируется, поскольку программное обеспечение обычно необходимо оптимизировать для многоядерных процессоров, чтобы получить значительное преимущество в скорости.

Передняя шина и кэш

В любом процессоре кэш-память и передняя шина играют важную роль в скорости. ЦП и передняя шина работают вместе, поэтому в идеале они должны работать с одинаковой скоростью, чтобы одна не могла замедлять другую. Кэш также играет важную роль в скорости процессора. Кэш — это память, к которой ЦП обращается для ускорения выполнения определенных рутинных задач, поэтому чем больше размер кеша, тем выше производительность ЦП.

тактовых циклов — обзор

Моделирование эффектов маскирования в логике

Когда частица ударяется о чувствительный узел цепи, она производит импульс тока с быстрым временем нарастания, но более плавным временем спада.Следовательно, первым шагом в моделировании эффектов маскировки является моделирование этого импульса тока I (t) как зависящего от времени источника тока [6, 28]:

, где Q — количество заряда, собираемого с частицы. strike и постоянная времени T является функцией процесса CMOS. Меньший T дает более короткий, но более интенсивный импульс по сравнению с импульсом, создаваемым более крупным T . Функция квадратного корня фиксирует быстрое нарастание импульса тока, тогда как отрицательный экспоненциальный член фиксирует постепенное спадание импульса.Обычно и T , и Q уменьшаются с каждым последующим поколением технологий.

Этот импульс тока теперь можно использовать для управления имитаторами схем, такими как SPICE, для измерения воздействия удара частицы на логический вентиль.

Логическое маскирование Концептуально вычисление эффекта логического маскирования относительно несложно. Он включает в себя подачу ошибочных импульсов тока в разные части логического блока и моделирование его работы для различных входов или тестов.Обычно выбирается случайная выборка узлов и импульсов, чтобы избежать моделирования логического блока при каждой различной конфигурации входов и импульсов ошибки. В качестве альтернативы, логическое маскирование также может быть смоделировано в имитаторе логического уровня путем переключения входов с нуля на единицу или наоборот. Последний метод намного быстрее, поскольку не требует детального моделирования импульса тока и его влияния на логику.

Электрическое маскирование Вычисление эффектов электрического маскирования и маскирования окна-защелки немного сложнее.Когда импульс тока проходит через каскад ворот, его сила продолжает уменьшаться. В частности, время нарастания и спада импульса увеличивается, а его амплитуда уменьшается. Увеличение времени нарастания и спада импульса происходит из-за задержек в схеме, вызванных задержкой переключения транзисторов. Уменьшение амплитуды может произойти, если и когда вентиль выключится до того, как выходной импульс достигнет своей полной амплитуды. Это может произойти, если входной переход происходит до того, как вентиль полностью переключился со своего предыдущего перехода.Это заставляет вентиль переключаться в противоположном направлении до достижения максимальной амплитуды входного импульса, тем самым ухудшая выходной импульс. Этот эффект каскадируется от одного гейта к другому, тем самым медленно ослабляя сигнал. Если сигнал полностью затухает до достижения передней защелки, тогда передняя защелка не регистрирует ошибочное значение, и говорят, что ошибка электрически маскируется. Shivakumar et al. [25] использовали модель времени нарастания и спада Горовица [12] и модель деградации логической задержки Bellido-Diaz et al.[2], чтобы вычислить влияние электрического маскирования через логический блок.

Маскировка окна защелки Защелка, запускаемая фронтом, уязвима только для защелкивания при распространенной ошибке во время небольшого окна защелки вокруг его закрывающего тактового фронта (рис. 2.8). Это окно фиксации фактически является суммой времени установки и времени удержания защелки. Время настройки — это минимальный промежуток времени до фронта тактового сигнала, в течение которого данные, которые должны быть зафиксированы, должны быть действительными. Время удержания — это минимальное время после фронта тактового сигнала, в течение которого данные должны быть действительными, чтобы защелка могла их правильно прочитать.Импульсы, которые полностью перекрывают окно фиксации, всегда вызывают ошибку фиксации. Импульсы, которые не перекрываются окном фиксации, всегда маскируются. Импульсы, которые частично перекрываются с окном фиксации, могут маскироваться или не маскироваться. Shivakumar et al. [25] считают, что ошибки, вызванные частично перекрывающимися импульсами, являются вторичным эффектом.

РИСУНОК 2.8. Маскировка окна-защелки.

Предположим, что c = тактовый цикл, d = ширина импульса и w = ширина окна защелки.Если мягкие ошибки из-за частично перекрывающихся импульсов игнорируются, то вероятность мягкой ошибки может быть выражена как

Если d < w, Вероятность (мягкая ошибка) = 0, потому что импульс не может охватывать все окно защелки.

Если w d c + w , Вероятность (мягкая ошибка) = ( d — w ) / c , потому что импульс должен прибыть в интервале ( d — w ) непосредственно перед окном с защелкой.

Если d > c + w , вероятность (мягкая ошибка) = 1, импульс гарантированно перекрывается как минимум с одним окном фиксации. Следует отметить, что если c < d < c + w , то d может перекрываться с двумя последовательными окнами фиксации и все же не вызывать программную ошибку.

Следует отметить, что маскировка окна-защелки снижает частоту отказов логических вентилей.Напротив, удар по защелке может быть замаскирован, если защелка передает данные на свой выход. Это уменьшает TVF защелки. Этот последний маскирующий эффект снижает частоту отказов защелки, а не частоту отказов логических вентилей, питающих ее.

Собираем все вместе Для надлежащего моделирования SER комбинаторных логических вентилей необходимо учесть все три эффекта маскирования. Полностью исчерпывающая модель будет имитировать сборы зарядов разной величины и в разных узлах логических схем (например,g., как в TIme DEpendent Ser Tool под названием TIDEST [23]), а затем изучите эффекты маскировки для каждого из этих случаев. Полностью исчерпывающая имитационная модель может быть очень точной, но также может привести к чрезвычайно длительному времени моделирования даже для небольших схем. Следовательно, методы выборки, такие как моделирование методом Монте-Карло, обычно используются для уменьшения пространства моделирования.

Чжан и Шанбхаг [28] предложили альтернативное приближение для сокращения времени моделирования, необходимого для вычисления маскирующих эффектов.В этом методе эффекты логической маскировки были вычислены с использованием внедрения неисправности в имитатор логического уровня, который значительно быстрее, чем имитатор схем. Затем с помощью имитатора схемы были вычислены электрические эффекты и эффекты маскировки окна-защелки. Для каждой схемы, встречающейся в микросхеме, они сначала извлекали путь, по которому будет распространяться ошибка, возникающая в результате удара частицы. Они сопоставили этот путь с эквивалентной цепочкой инверторов. Эффекты электрического маскирования и маскирования окна-защелки были рассчитаны заранее для типичных цепей инверторов.Следовательно, эффекты электрического маскирования и маскирования окна-защелки в этих схемах сводятся к простому поиску в таблице. Авторы обнаружили, что это приближение вносит ошибку менее 5% в предсказание SER по сравнению с подходами к моделированию на основе Монте-Карло. В целом, эти три метода — использование моделирования на логическом уровне для логического маскирования, извлечение пути, по которому распространяется ошибка, и отображение пути в эквивалентную цепочку инвертора — ускоряют моделирование маскирования на порядки по сравнению с использованием моделирования цепей методом грубой силы.Другие исследователи (например, Гилл и др. [7]) изучают другие варианты дальнейшего сокращения времени моделирования.

Влияние масштабирования технологии По мере уменьшения размера элемента относительный вклад программных логических ошибок может продолжать увеличиваться. Это произошло по трем причинам. Во-первых, логические вентили обычно представляют собой более широкие устройства, чем схемы памяти, такие как ячейки SRAM. Но технологическое масштабирование быстрее уменьшает размер и Qcrit логических вентилей, чем у ячеек SRAM.

Во-вторых, эффект электрического маскирования будет уменьшаться с масштабированием технологии.Это связано с тем, что меньшее количество импульсов ошибки будет ослабевать по мере того, как частота этих вентилей продолжает увеличиваться.

В-третьих, более высокая степень конвейерной обработки, если она используется высокопроизводительными микропроцессорами и наборами микросхем, уменьшит тактовый цикл без значительного изменения времени установки и времени удержания защелок. В последнее время микропроцессоры перешли на более мелкие трубопроводы, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности и сложности конструкции. Тем не менее, после этого резкого перехода к более мелким конвейерам количество ступеней конвейера в процессоре снова продолжает увеличиваться.Это уменьшит степень маскировки окна защелки, испытываемую схемой. В целом, Shivakumar et al. [25] предсказал, что SER от логических вентилей растет экспоненциально. Но до сих пор нет жюри в этом вопросе.

Что такое скорость процессора и почему она имеет значение?

Благодаря технологиям, повышенным целям производительности, более быстрому Интернету и большему количеству устройств мы создали потребность в скорости, куда бы мы ни пошли. Мы привыкли получать результаты мгновенно и ожидаем, что наши устройства будут идти в ногу с нашими запросами, поскольку на протяжении всей жизни мы выполняем несколько задач одновременно.Компьютерные процессоры и их тактовая частота — две особенности, которые мы чаще всего связываем с высокопроизводительными и быстрыми технологиями.

Скорость процессора компьютера (скорость процессора) является одним из наиболее важных элементов, которые следует учитывать при сравнении компьютеров. ЦП часто называют «мозгом» вашего компьютера, поэтому обеспечение его правильной работы очень важно для долговечности и функциональности вашего компьютера. Понимание того, что составляет хорошую скорость процессора, начинается с понимания того, что именно делает процессор — и что его компоненты делают для улучшения функциональности вашего компьютера.

Давайте разберемся, что делает ваш ЦП быстрым, количество ядер и тактовая частота, что делает их важными и на что обращать внимание при покупке нового компьютера.

Что такое процессор ПК и для чего он нужен?

Центральный процессор или ЦП — это аппаратное обеспечение, которое позволяет вашему компьютеру взаимодействовать со всеми установленными приложениями и программами. ЦП интерпретирует инструкции программы и создает выходные данные, с которыми вы взаимодействуете, когда используете компьютер.

Процессор состоит из оборудования, которое работает вместе для доставки информации, позволяя вашему компьютеру выполнять задачи, которые вы запрашиваете при открытии приложения или внесении изменений в файл. Независимо от того, обрабатывается ли он быстро или мучительно медленно, вы можете сильно повлиять на ваш компьютерный опыт.

Ядра процессора и тактовая частота определяют, сколько информации может быть получено за один раз и как быстро эта информация может быть обработана на вашем компьютере. Скорость, с которой ядра вашего компьютера работают вместе, считается скоростью его обработки.

Ядра процессора в зависимости от тактовой частоты

Ядра процессора и тактовая частота — это очень разные функции, но они работают для одной и той же цели. Многие технические специалисты говорят о том, чему следует уделять больше внимания при покупке компьютера, но они в равной степени зависят друг от друга, чтобы помочь вашему компьютеру работать наилучшим образом.

Знание различий между ними может помочь вам лучше понять, что каждый из них делает и какая скорость процессора вам нужна в зависимости от того, как вы планируете использовать свой компьютер.Если вы планируете использовать свой компьютер для сложного редактирования видео, а не только для стандартных программ и просмотра веб-страниц, у вас будут другие требования к ядру процессора и тактовой частоте. Давайте рассмотрим эти две технологии и цифры, на которые нужно обращать внимание при сравнении компьютеров.

Что такое ядро ​​процессора?

Ядра процессора — это отдельные процессоры в центральном процессоре (ЦП) компьютера. Ядро процессора получает инструкции от одной вычислительной задачи, работая с тактовой частотой, чтобы быстро обработать эту информацию и временно сохранить ее в оперативной памяти (RAM).Постоянная информация сохраняется на вашем жестком диске, когда вы ее запрашиваете.

Большинство компьютеров теперь имеют несколько процессорных ядер, которые позволяют вашему компьютеру выполнять несколько задач одновременно. Возможность запускать множество программ и запрашивать множество задач, таких как внесение изменений в документ, во время просмотра видео, при открытии новой программы, стала возможной с помощью нескольких ядер процессора.

Для сложных видеоигр или программ очень важно иметь центральный процессор, который может быстро обрабатывать такую ​​информацию, как аудио- и видеопоток.В эпоху цифровых технологий, когда все мы являемся экспертами в многозадачном режиме, ядра процессоров становятся все более важными для пользователей компьютеров.

Несколько ядер процессора и технология гиперпоточности практически необходимы как для игровых, так и для повседневных компьютеров. Наличие нескольких процессорных ядер дает вам свободу повышать производительность на работе, играть в сложные видеоигры или исследовать новый мир с виртуальной реальностью.

Что такое тактовая частота?

Тактовая частота процессора компьютера определяет, насколько быстро центральный процессор (ЦП) может извлекать и интерпретировать инструкции.Это помогает вашему компьютеру выполнять больше задач, делая их быстрее.

Тактовые частоты измеряются в гигагерцах (ГГц), причем большее число соответствует более высокой тактовой частоте. Многоядерные процессоры были разработаны, чтобы помочь ЦП работать быстрее, поскольку стало труднее увеличивать тактовую частоту.

Более высокие тактовые частоты означают, что вы увидите, что задачи, заказанные вашим процессором, выполняются быстрее, что упростит вашу работу и сократит время ожидания интерфейса с вашими любимыми приложениями и программами.

Как выбрать между большим количеством ядер процессора или более высокой тактовой частотой?

Как мы упоминали ранее, для работы вашего компьютера важны как ядра процессора, так и тактовая частота. Покупка компьютера с несколькими ядрами и сверхвысокой тактовой частотой звучит идеально, но что все это на самом деле означает для функциональности вашего компьютера?

По сути, высокая тактовая частота, но всего одно или два ядра, означает, что ваш компьютер сможет быстро загружать одно приложение и взаимодействовать с ним.И наоборот, наличие большего количества ядер процессора, но более низкая тактовая частота означает, что ваш компьютер может работать с большим количеством приложений одновременно, но каждое из них может работать немного медленнее.

Сравнивая компьютеры, очень важно думать о своем образе жизни. Не всем нужен одинаковый уровень скорости обработки или ядра. Мы немного обсудим, чем игровые компьютеры и повседневная работа или персональные компьютеры отличаются, когда дело доходит до этих функций. Сначала мы разберемся, что они означают для портативных и настольных компьютеров.

Какая скорость процессора у портативного компьютера лучше, чем у настольного компьютера?

Процессоры ноутбуков отличаются от процессоров в настольных компьютерах. Если вам интересно, какая скорость процессора подходит для ноутбука или настольного компьютера или просто какой стиль подойдет вам лучше всего, прочитайте важные различия, которые следует учитывать, прежде чем совершать какие-либо покупки.

Примечание. ЦП также могут влиять на аппаратное обеспечение компьютера, поэтому их важно учитывать, если у вас есть особые требования к оборудованию, такие как переносимость портативного компьютера или вам нужна надежная природа настольного компьютера с двумя дисплеями.

Ноутбуки

В общем, портативные компьютеры, как правило, обладают меньшей мощностью и гибкостью, когда дело касается процессоров. Они, очевидно, очень удобны для пользователей, которым нравится мобильность ноутбука, но если вам нужен сверхвысокоскоростной процессор или высокая тактовая частота, вы можете взглянуть на настольный компьютер, чтобы удовлетворить ваши потребности в обработке.

К счастью, благодаря удивительным разработкам в области многоядерных процессоров и методов гиперпоточности, ноутбуки теперь могут справиться самостоятельно.Большинство ноутбуков имеют двухъядерные процессоры, которые удовлетворяют потребности большинства обычных пользователей. А некоторые используют четырехъядерные процессоры, которые могут расширить вычислительные возможности вашего портативного компьютера.

Настольные компьютеры

Настольные компьютеры способны генерировать больше энергии, чем портативные компьютеры, благодаря надежному оборудованию, которое обеспечивает большую вычислительную мощность и более высокие тактовые частоты. Поскольку в корпусе у них больше места, чем в ноутбуке, настольные компьютеры обычно имеют лучшие системы охлаждения, что позволяет процессору продолжать усердно работать, не перегреваясь.

ЦП для настольных ПК обычно можно удалить, в отличие от ЦП ноутбука, встроенного в материнскую плату. Это означает, что на настольном ПК ЦП легче обновить или заменить, чем на ноутбуке. Если вы выберете правильную частоту процессора, вам не придется возиться с процессором.

Независимо от того, используете ли вы ноутбук или настольный компьютер, вы в конечном итоге захотите подумать о том, для чего вы планируете использовать свой компьютер, поскольку это напрямую зависит от скорости процессора компьютера, которая вам понадобится.

Need for Speed ​​

Игровые процессоры

С годами игры становятся все более сложными и, кажется, развиваются с каждым днем. Все эти дополнительные функции и реалистичный опыт требуют процессора, который сможет поддерживать вас в игре. В большинстве игр используется от 1 до 4 ядер, а многим для оптимальной работы требуется больше процессорных ядер. Четырехъядерный процессор занимает безопасную зону, когда речь идет о базовых модулях.

Игры, такие как World of Warcraft , постоянно улучшают игровой процесс за счет обновленных игровых возможностей и игровых возможностей, требующих более мощной обработки.В играх с интенсивным использованием ЦП используется многоядерная технология, позволяющая объединить графику, звук и игру, чтобы создать гиперреалистичный игровой процесс.

Одноядерный процессор отлично справляется с выполнением отдельных задач, но он может повлиять на вашу игру и замедлить работу. Чем больше ядер, тем выше качество игрового процесса.

Если вы серьезный геймер, который ценит целостность разработанного разработчиком опыта, вы можете выбрать четырехъядерный или более мощный процессор, такой как процессор Intel® Core ™ i7-8750H, установленный в 15-дюймовом игровом ноутбуке HP OMEN. .Этот мощный процессор использует 6 ядер, чтобы отображать игровой процесс и реагировать на игровую технику с беспрецедентной гибкостью.

Тактовая частота от 3,5 до 4,0 ГГц обычно считается хорошей тактовой частотой для игр, но более важно иметь хорошую однопоточную производительность. Это означает, что ваш процессор хорошо понимает и выполняет отдельные задачи.

Не следует путать с одноядерным процессором. Наличие большего количества ядер означает, что ваш ЦП способен понимать инструкции нескольких задач, в то время как оптимальная однопоточность означает, что он может обрабатывать каждую из них индивидуально и очень хорошо.

Видеоигры переносят вас в другой мир и дают вам возможность исследовать новую территорию. Не позволяйте недостатку вычислительной мощности уносить магию из вашего мира.

Процессоры для повседневного использования

Двухъядерный процессор обычно является лучшим выбором для повседневного использования. Он может выполнять несколько задач одновременно и сокращать время ожидания открытия приложений или обновления. Четырехъядерный процессор может помочь вам вывести производительность на новый уровень и обеспечить единообразие для повышения качества вычислений, независимо от того, над чем вы работаете.

Если вы больше относитесь к творческим людям, которые редактируют видео или ежедневно запускают сложные приложения, возможно, вам стоит подумать о приобретении компьютера с большим количеством ядер процессора и более высокой тактовой частотой, чтобы ваши приложения могли работать бесперебойно. 15-дюймовая мобильная рабочая станция HP ZBook оснащена 6-ядерным процессором, который предназначен для интенсивного редактирования и создания креативных материалов. О скорости работы не так важно думать, если вы используете свой компьютер для основных задач, таких как время от времени видео- потоковая передача и проверка электронной почты.Ноутбук HP 14z с двухъядерным процессором может быть тем, что вам нужно для повседневного базового использования. Эта модель может легко справляться с общими задачами в традиционном, простом в использовании пакете.

Высокопроизводительные вычислительные процессоры

Под высокопроизводительными вычислениями понимается использование компьютеров, которые включают чрезвычайно сложные и требовательные к данным программы. Высокопроизводительные пользователи часто являются инженерами, исследователями, а также военными или правительственными пользователями.

Эти пользователи постоянно запускают несколько программ и постоянно извлекают и вводят информацию в программные системы.Для такого рода вычислений обычно требуется более продвинутый процессор и более высокая тактовая частота.

Процессоры иммерсивных вычислений и виртуальной реальности (VR)

Подобно играм, дополненная реальность и виртуальная реальность полагаются на высококачественную графику, звук и функции навигации. Чтобы действительно почувствовать себя в новой реальности, важно иметь многоядерный процессор с высокими тактовыми частотами.

Выберите компьютер, который подходит именно вам.

Большинство людей знают, как выглядит их использование компьютера; либо вы геймер, либо нет, вы пользуетесь компьютером каждый день или нет.Знание этой информации о ваших привычках упрощает выбор процессора.

Если вы запускаете много приложений одновременно или играете в сложные игры, вам, скорее всего, понадобится 4- или даже 8-ядерный процессор. Если вы просто ищете компьютер для эффективного выполнения основных задач, вам, вероятно, подойдет двухъядерный процессор.

Для вычислений с интенсивным использованием ЦП, таких как редактирование видео или игры, вам потребуется более высокая тактовая частота, близкая к 4,0 ГГц, в то время как для базовых вычислительных задач такая повышенная тактовая частота не требуется.

Хотя ядра процессора и скорость важны, процессор — не единственное, что нужно учитывать при покупке компьютера. Вы также захотите подумать о том, какой компьютер вписывается в ваш образ жизни. У HP® есть парк ноутбуков и настольных компьютеров, который удовлетворит все потребности вашего компьютера.

Об авторе

Софи Сироис (Sophie Sirois) — автор статей в HP® Tech Takes. Софи — специалист по созданию контента из Сан-Диего, освещающая последние технические и цифровые новости.

Как измеряются процессоры | Small Business

Покупая процессор или настольный компьютер, вы часто смотрите на тактовую частоту.Вычисленные в мегагерцах и гигагерцах или МГц и ГГц, эти измерения рассказывают только небольшую часть истории вашего центрального процессора или ЦП. Помимо понимания тактовой частоты, современные средства измерения ЦП также учитывают другие факторы, чтобы получить представление о том, насколько хорошо работает процессор.

Объяснение тактовой частоты

Самым широко используемым показателем для сравнения процессоров является тактовая частота. Например, процессор с тактовой частотой 2 ГГц будет считаться более быстрым, чем процессор с частотой 2 ГГц.Процессор 5 ГГц. Когда два процессора теоретически полностью облагаются налогом, то каждую секунду процессор с более высокой тактовой частотой будет обрабатывать на 500 миллионов бит данных больше, чем процессор с более низкой тактовой частотой. Часы устанавливаются с помощью небольшого кристалла кварца и часто могут варьироваться в зависимости от того, насколько эффективна ваша система охлаждения. Использование процессора на более высокой тактовой частоте, чем та, для которой он был разработан, является обычной практикой, называемой «разгоном». Но герцы измеряют только буквальное количество сигналов, которые могут быть пропущены через процессор за одну секунду, в то время как фактическая обработка намного сложнее.

Инструкций в секунду

Короче говоря, тактовые частоты мало говорят о том, насколько быстро работает процессор. При измерении ЦП многие эксперты пытаются прочитать миллионы инструкций в секунду или MIPS. MIPS проверяет, сколько инструкций может пройти через «конвейер» процессора, от получения инструкции до полной обработки ее результата. Хотя измерение MIPS позволяет более внимательно изучить работу процессора, оно все же может быть неверным показателем того, насколько быстро ваш процессор может выполнять код.Это связано с улучшениями оптимизации, обнаруженными во многих процессорах, которые часто не используются в инструментах измерения MIPS, например в отдельных процессорах с плавающей запятой.

Многоядерная обработка

Современные процессоры поставляются в пакетах с несколькими «ядрами». Каждое ядро ​​имеет свой собственный набор возможностей обработки, позволяющий обрабатывать инструкции одновременно. Четырехъядерный процессор 2,8 ГГц означает, что четыре отдельных процессора с тактовой частотой 2,8 ГГц работают в том же корпусе, что и одноядерный 2.Процессор 8 ГГц. Таким образом, количество ядер стало еще одним важным показателем производительности.

Другие факторы

Незадолго до окончания срока службы линейка процессоров Pentium 4 достигла тактовой частоты 3,8 ГГц; Между тем, его преемник только недавно достиг той же отметки по тактовой частоте. Спорный рост производительности, несмотря на стагнацию тактовых частот, связан с другими нововведениями. Pentium 4, например, имел 21-ступенчатый конвейер.Это означает, что любая инструкция должна пройти все 21 этап, и любые сбои или перенаправления приведут к перезапуску 21-этапного процесса. Новый процессор, напротив, имеет меньше этапов в конвейере обработки. Это означает, что новый процессор обрабатывает инструкции более эффективно. Кроме того, разные процессоры имеют разные уровни кеш-памяти обработки. Более высокий кэш позволяет процессору быстро получать доступ к часто используемым инструкциям и лучше устранять ошибки страниц. В результате процессоры с более крупными размерами кэш-памяти часто работают лучше.

Программы измерения скорости ЦП

Качественные потребительские программы измерения ЦП, также называемые программами тестирования, измеряют ряд различных факторов. Вы должны принять эти факторы в совокупности, чтобы получить хорошее представление о том, как работает ваш процессор.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *