基于微小井眼鉆井技術的A／D轉換器選型研究

摘要：微小井眼鉆井技術是國外近年來發(fā)展起來一種前沿技術，具有成本低、安全環(huán)保和勘探開發(fā)效率高等特點。通過A/D、D/A轉換器將井下模擬信號轉換為數(shù)字信號，經處理后，將數(shù)字信號在轉換成模擬信號去控制設備，實現(xiàn)井下的采集、通訊、控制任務。本文通過提出A/D轉換器的選型原則，綜合考慮性能參數(shù)、數(shù)字接口、原理結構、工作溫度等各個方面，選擇出適合隨鉆測量短節(jié)設計的A/D轉換器，保證井下系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程的穩(wěn)定，對整個微小井眼鉆井設備具有重要的作用。

微小井眼鉆井技術作為新生技術，在國內尚處于起步階段。該技術成本低、效率高且安全環(huán)保，是一項有助于發(fā)展油氣鉆井的新工藝?；谄鋬?yōu)越性，該技術能夠對國民經濟的發(fā)展與穩(wěn)定產生重要的影響，對它的研究發(fā)展成為一項緊迫的任務。隨鉆測量技術(Measurement While Drilling)在鉆井技術中首先發(fā)展起來，是在鉆進過程中利用傳輸媒介連續(xù)傳輸測量信號的測量技術，以實現(xiàn)對各種井下參數(shù)的實時測量。這些參數(shù)主要包括：軌跡描述參數(shù)(傾斜、方位)，工具方向參數(shù)(工具面)，地層特性參數(shù)(電阻率、自然伽馬、孔隙度等)和其他狀態(tài)參數(shù)(壓力、扭矩、溫度等)。在微小井眼測井系統(tǒng)中，利用A/D、D/A轉換器完成模擬與數(shù)字信號之間的轉換。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、井下通訊等重要任務。井下的環(huán)境復雜多變，尤其是高溫與振動噪聲，影響著集成電路中元件的精度與穩(wěn)定，所以對于A/D轉換器的選擇，除考慮一般性能參數(shù)(如精度、轉換速度、功耗等)，還需綜合考慮芯片的數(shù)字接口、原理結構和工作溫度，以符合整個系統(tǒng)電路的設計要求。

1 微小井眼鉆井技術與井下環(huán)境特點

微小井眼(Micro Hole)鉆井的概念指用連續(xù)管鉆小尺寸井眼的鉆井技術。井微小眼尺寸小于88.9 mm，對于井下設備電路具有尺寸的嚴格要求。為實施連續(xù)油管的鉆井工藝，必須研究開發(fā)控制微小井眼井下鉆井工藝的配套設備(如導向鉆具、測量工具等)，在井下通過串接在進鉆頭出處的測量短節(jié)，完成被測參數(shù)的傳感器采集、信號轉換和傳輸電路等功能，A/D轉換器便是其中重要的組成部分。井下環(huán)境是復雜多變的，隨著鉆井的深入，溫度愈來愈高，元件的性能隨著溫度的變化而發(fā)生改變，散熱與功耗也會造成系統(tǒng)誤差的增大，所以一般的芯片不滿足要求。伴隨鉆頭的鉆進，振動與噪聲也會影響A/D轉化器的正常工作。除此之外，過高的壓力、濕度都會影響器件的工作狀態(tài)。所以，在嚴苛的環(huán)境中，對A/D轉換器的選型有著特殊的要求。

2 A/D轉換器的主要參數(shù)

將模擬信號轉換為二進制的數(shù)字信號的集成電路為A/D轉換器，即AnMog to Digital Converter(簡稱ADC)。在產品手冊上，ADC的參數(shù)一般有：模擬輸入、吞吐速度、靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)、電源、功耗、溫度范圍等。ADC選型的原則的制定就是要結合主要參數(shù)和實際的項目工程要求進行選型。

2.1 ADC主要靜態(tài)參數(shù)

1)微分非線性(Differential Nonlinearity，DNL，EDL)

為了說明ADC中的DNL誤差，以3bit的ADC為例，其量化結果如圖1所示。圖1中，ADC中，輸入信號為諧波信號，理想中的ADC轉換曲線如圖中虛線所示，而實際轉換曲線如圖中虛線所示。參考電壓為VREF，那么，

其中，N為ADC的分辨率，單位bit。

于是，諧波信號的實際編碼對應的壓力為諧波信號與實際轉換曲線的交點對應的橫坐標電壓值。DNL定義為，實際量化與理想量化之間的差異：

圖1中由于轉換過程中產生失碼，失去編碼“100”，那么，編碼“011”到“101”之間實際碼寬為1.6LSB，則EDL=0.6LSB。

DNL指標是在消除靜態(tài)增益誤差后得到的，定義如下：若用VLSB表示理想的碼寬幅度，Vm表示實際的碼寬幅度，則DNL誤差又可表示為：

式中：VD為數(shù)字輸出第D個編碼位對應的幅值。

若DNL≤1LSB，那么可以認為數(shù)字信號在轉換過程中沒有丟碼，且轉換函數(shù)單調。若DNL越高，則量化結果中噪聲和寄生成分越多，限制了ADC的動態(tài)性能。

2)積分非線性(Integrated Nonlinearity，INL，EL)

INL誤差，定義為實際轉換曲線背離理想轉換曲線的程度，實際轉換點與理想轉換點之差的最大值，以LSB或者滿量程的百分比(FSR)來度量。一般，理想轉換曲線為直線，可以通過兩種方法獲得：端點擬合和最佳直線擬合，如圖2所示。

端點擬合，是指直接用直線連接實際轉換曲線的兩個端點，直線位置由零點和滿量程點確定。最佳直線擬合，是指對實際輸出點的最佳擬合直線，其中包含了失調(截距)誤差和增益(斜率)誤差的信息。這種方法真正描述器件的線性特征，能產生比較好的結果，可以是濾除靜態(tài)失調和增益誤差后的結果。若用V0表示零點處幅值，那么，INL誤差可表示為：

3)失調誤差(Offset Error，Eo)

失調誤差，又稱為零點誤差(Zero Error)，指ADC器件的實際轉換曲線中零點對應的電壓V1與理想零點對應電壓V2之間的誤差，計算公式如下：

其物理意義表示為ADC器件零輸入時的零點漂移的最大偏差，為最佳擬合直線的位移，多數(shù)ADC器件可以通過外部電路進行調整，最大限度減少失調誤差，接近為零。

4)增益誤差(Gain Error，EG)

增益誤差，定義為，ADC器件第2N-1個數(shù)字輸出對應的模擬電壓值V1與理論模擬值V2之間的誤差，可以看作是最佳擬合直線的斜率，計算公式為：

其物理意義表示看作是最佳擬合直線的斜率，多數(shù)ADC器件也可以通過外部電路進行調整，最大限度減少增益誤差，接近為零。

2.2 ADC主要動態(tài)參數(shù)

動態(tài)參數(shù)的定義，是指給ADC加任意正弦信號，假設ADC輸出的數(shù)字信號中，噪聲的功率為PN、第K次諧波能量為PK、正弦波信號基波功率為PS。則各動態(tài)參數(shù)定義如下：

1)信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)

SNR=10xlg(PS/PN) (10)

信噪比越大，混在信號中的噪聲越小，輸出信號的質量越高，一種最常用的反映器件抵抗噪聲干擾能力的參數(shù)。其中，噪聲功率不包含諧波功率。

2)總諧波失真(Total Harmonic Distortion)

用于表示特定頻率范圍內的總諧波功率與基波功率的比值，一般僅計算10～20個不等的諧波，前三次諧波對THD起主要作用，值越小，品質越高。

3)信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio)

信號功率與噪聲諧波功率的比值，用于衡量ADC轉換時信號被噪聲影響了多少，為了強調諧波失真。值得注意的是，SNDR=SNR+THD。

4)無雜散動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range)

SFDR=10xlg(PS/max(PK)) (13)

表示在一定的輸出范圍內，基波信號功率和最大諧波功率的比值，值越大，ADC的動態(tài)性能越好，轉換越接近線性。

2.3 ADC吞吐速度

1)轉換時間(Conversion Time，tC)，指ADC器件完成一次模擬到數(shù)字的轉換所需要的時間。積分型AD的轉換時間為毫秒級，屬低速AD;逐次比較型AD的轉換時間為微秒級，屬中速AD;全并行/串并行型AD的轉換時間達納秒級，屬高速AD。

2)轉換率(Conversion Rate，tR)，轉換時間的倒數(shù)。對于低速A/D轉換器，用轉換時間表征A/D的運行速度;而對于高速A/D轉換器，則采用轉換率去表征A/D的運行速度。

為保證AD轉換的正確完成，轉換率必須大于或等于采樣速率(Sample Rate)。通常將轉換率在數(shù)值上等同于采樣速率，常用單位是kSPS和MSPS，每秒采樣千/百萬次(kilo/Million Samples per Second)。

3 ADC選型原則

為配合項目需求，設計與實現(xiàn)應用于微小井眼下隨鉆測量系統(tǒng)中的工程參數(shù)測量短節(jié)中A/D部分的電路，制定以下選型原則。

3.1 合適的溫度范圍

井下環(huán)境復雜多變，對器件有著嚴格的要求，所以環(huán)境因素是重要考慮的因素之一。溫度是影響器件正常工作的重要因素，也是限制器件選型的關鍵因素。井下溫度在150℃左右，最大不會超過200℃。隨著溫度的升高，ADC的參數(shù)，諸如信噪比、無雜動態(tài)范圍、總諧波失真等參數(shù)都會隨之變化。這些參數(shù)若受溫度影響的不大，保持相對穩(wěn)定的變化范圍，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。具有較好溫度特性的器件，屬于特殊器件，先選擇合適的工作溫度，可以縮小器件選擇的范圍。

3.2 合適的接口選擇

ADC的選擇，不單單是對器件的選型，更是對整體電路的設計過程，需要考慮從信號的產生到計算機的數(shù)據(jù)輸入整個過程，也就是數(shù)據(jù)采集的過程，如圖3所示。

在ADC與FPGA/單片機之間存在著接口選型的問題，ADC按接口類型，可以分為串行與并行。串行接口。只有一個數(shù)據(jù)傳輸通道，傳送一個字節(jié)(8位)時，一次傳輸1位，傳輸錯誤后重新發(fā)送一位即可。并行接口，有八個數(shù)據(jù)傳輸通道，傳輸數(shù)據(jù)時一次將一個字節(jié)的所有8位同時傳輸出去，通道間互相干擾，傳輸錯誤時，8個傳輸數(shù)據(jù)傳輸通道需同時重新傳輸。所以，只有一個通道的串行傳輸方式不存在同步的問題，串行的傳輸速率也不存在限制，可以達到1 Gb/s，而并行傳輸速率最高只可以達到100 Mb/s。同時，串行傳輸也不存在干擾問題，所以串行接口逐漸取代并行接口成為主要的接口方式。

串行常見的有串行外設接口(SPI)、隊列串行接口(QSPI)、MICROWIRE接口、芯片間總線(I2C)等。其中，SPI、QSPI、MICROWIRE是三線制，I2C是二線制。各種接口各有優(yōu)點缺點，如表1所示。

三線接口包括：片選線、時鐘線和數(shù)據(jù)輸入/主機輸出線。三線接口時鐘的工作頻率更高，不去要上拉電阻;數(shù)據(jù)可以在同一時間發(fā)送和接收，接口工作在全雙工模式;邊沿觸發(fā)，更強的抗干擾能力。

二線接口：包括數(shù)據(jù)線和時鐘線。二線制使用更少的連線，所以可以用于結構緊湊的設計;它為每個從設備分配位移的地址，故不需要片選信號;只有一條數(shù)據(jù)線的二線制接口，只能工作在半雙工模式;電平觸發(fā)，在嘈雜環(huán)境中容易產生數(shù)據(jù)錯位，造成問題。

3.3 合適的ADC類型選擇

ADC按結構可以分為：逐次逼近型(SAR)、流水線型(Pipeline)、∑-△型(Delta—Sigma)、插值折疊型(FoldingInterpolating)和雙步行(Two—Step)等。各種ADC的性能比較如表2所示。

根據(jù)實際項目需要，如果對精度要求高，可以選擇∑-△型ADC。如果對轉換速度有特別要求，可以選擇流水線、差值折疊或者兩步型。對功耗有要求的，可以選擇逐次逼近型。

3.4 精度與分辨率要求

綜合考慮輸入通道信號的特征及總誤差要求，選擇A/D轉換精度與分辨率，符合數(shù)據(jù)采集精度要求。這里的精度要求還要同時考慮傳感器、信號調節(jié)電路的精度。精度的選擇，可以參照靜態(tài)參數(shù)與動態(tài)參數(shù)。確認精度要求后，確定分辨率。

3.5 A/D轉換速度的確定

為保證整個井下系統(tǒng)工作的實時性，需要根據(jù)采集信號的變化率以及轉換精度的要求，去確定A/D轉換速度。

3.6 輸入?yún)?shù)的確定

ADC的輸入?yún)?shù)主要包括電壓的輸入范圍，參考電壓，供電等。在信號采集的過程，信號源產生的信號不是標準電信號，通過傳感器、信號調理、放大等轉換過程，原始信號被轉換為標準的模擬電壓信號。根據(jù)模擬電壓信號，選擇具有合適電壓輸入范圍的ADC器件，同時考慮ADC的供電要求。在使用ADC時，需要輸入電壓滿量程使用以保證轉換精度的要求。若輸入電壓的動態(tài)范圍較小，需要調節(jié)參考電壓保證小信號輸入時ADC芯片滿足最大的轉換精度。

除以上原則，成本、芯片的利用效率等其他因素也是需要考慮的，選擇的ADC器件符合整個系統(tǒng)的實際應用。

4 微小井眼測量系統(tǒng)ADC的選型

通過對整個項目中的要求分析和選型原則，選擇Texas Instruments的ADS8590-HT，適用于井下鉆井和高溫環(huán)境下的應用，其具有SSOP封裝的28個管腳.在溫度-40～175℃范圍內，各個參數(shù)均具有良好的穩(wěn)定性。其能承受的最高溫度為190℃，滿足溫度條件。從接口方式和結構考慮，其是具有串行接口的逐次逼近型芯片，在抵抗噪聲、轉換速度和低功耗方面有著良好的性能表現(xiàn)。精度方面，具有16位的分辨率并且轉換速率達到250 kHz，屬于中速中精度的芯片，完全適用于井下信號采集的精度要求。各主要參數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，ADS8590-HT無論在精度還是在轉換速度上都符合井下隨鉆測量系統(tǒng)的要求，尤其具有良好的溫度特性。當然，在對于芯片的選擇上沒有唯一的選擇，本文提出的選型原則為項目選擇合適的A/D芯片具有指導作用。

5 結束語

A/D轉換器作為微小井眼井下隨鉆測量系統(tǒng)中采集外界數(shù)據(jù)的必不可少的器件，影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與兼容性。對由于井下環(huán)境的特殊性，器件的工作溫度范圍是選型的一個必要參考條件;其次，ADC的接口與結構的正確選擇，影響著ADC器件的精度與速度，以及對噪聲的抗干擾性。最后，還需要綜合考慮合適的精度、轉換速度、供電、參考電壓、功耗、成本等多項因素。本文基于項目提出的ADC的選型原則，也具有通用的指導性。