基于微小井眼鉆井技術(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器選型研究

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

微小井眼鉆井技術(shù)作為新生技術(shù)，在國內(nèi)尚處于起步階段。該技術(shù)成本低、效率高且安全環(huán)保，是一項(xiàng)有助于發(fā)展油氣鉆井的新工藝。基于其優(yōu)越性，該技術(shù)能夠?qū)窠?jīng)濟(jì)的發(fā)展與穩(wěn)定產(chǎn)生重要的影響，對它的研究發(fā)展成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。隨鉆測量技術(shù)(Measurement While Drilling)在鉆井技術(shù)中首先發(fā)展起來，是在鉆進(jìn)過程中利用傳輸媒介連續(xù)傳輸測量信號(hào)的測量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對各種井下參數(shù)的實(shí)時(shí)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(zhuǎn)換器完成模擬與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、井下通訊等重要任務(wù)。井下的環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是高溫與振動(dòng)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(zhuǎn)換器的選擇，除考慮一般性能參數(shù)(如精度、轉(zhuǎn)換速度、功耗等)，還需綜合考慮芯片的數(shù)字接口、原理結(jié)構(gòu)和工作溫度，以符合整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)要求。

1 微小井眼鉆井技術(shù)與井下環(huán)境特點(diǎn)

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(shù)。井微小眼尺寸小于88.9 mm，對于井下設(shè)備電路具有尺寸的嚴(yán)格要求。為實(shí)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(shè)備(如導(dǎo)向鉆具、測量工具等)，在井下通過串接在進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸電路等功能，A/D轉(zhuǎn)換器便是其中重要的組成部分。井下環(huán)境是復(fù)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(huì)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(jìn)，振動(dòng)與噪聲也會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)化器的正常工作。除此之外，過高的壓力、濕度都會(huì)影響器件的工作狀態(tài)。所以，在嚴(yán)苛的環(huán)境中，對A/D轉(zhuǎn)換器的選型有著特殊的要求。

2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)的集成電路為A/D轉(zhuǎn)換器，即AnMog to Digital Converter(簡稱ADC)。在產(chǎn)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(dòng)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(jié)合主要參數(shù)和實(shí)際的項(xiàng)目工程要求進(jìn)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(jié)果如圖1所示。圖1中，ADC中，輸入信號(hào)為諧波信號(hào)，理想中的ADC轉(zhuǎn)換曲線如圖中虛線所示，而實(shí)際轉(zhuǎn)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(hào)的實(shí)際編碼對應(yīng)的壓力為諧波信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)電壓值。DNL定義為，實(shí)際量化與理想量化之間的差異：

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

DNL指標(biāo)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(shí)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(gè)編碼位對應(yīng)的幅值。

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

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

INL誤差，定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線背離理想轉(zhuǎn)換曲線的程度，實(shí)際轉(zhuǎn)換點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換點(diǎn)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(zhuǎn)換曲線為直線，可以通過兩種方法獲得：端點(diǎn)擬合和最佳直線擬合，如圖2所示。

端點(diǎn)擬合，是指直接用直線連接實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線的兩個(gè)端點(diǎn)，直線位置由零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)確定。最佳直線擬合，是指對實(shí)際輸出點(diǎn)的最佳擬合直線，其中包含了失調(diào)(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(chǎn)生比較好的結(jié)果，可以是濾除靜態(tài)失調(diào)和增益誤差后的結(jié)果。若用V0表示零點(diǎn)處幅值，那么，INL誤差可表示為：

3)失調(diào)誤差(Offset Error，Eo)

失調(diào)誤差，又稱為零點(diǎn)誤差(Zero Error)，指ADC器件的實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線中零點(diǎn)對應(yīng)的電壓V1與理想零點(diǎn)對應(yīng)電壓V2之間的誤差，計(jì)算公式如下：

其物理意義表示為ADC器件零輸入時(shí)的零點(diǎn)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(jìn)行調(diào)整，最大限度減少失調(diào)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(gè)數(shù)字輸出對應(yīng)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(jì)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(jìn)行調(diào)整，最大限度減少增益誤差，接近為零。

2.2 ADC主要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)

動(dòng)態(tài)參數(shù)的定義，是指給ADC加任意正弦信號(hào)，假設(shè)ADC輸出的數(shù)字信號(hào)中，噪聲的功率為PN、第K次諧波能量為PK、正弦波信號(hào)基波功率為PS。則各動(dòng)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(hào)中的噪聲越小，輸出信號(hào)的質(zhì)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(nèi)的總諧波功率與基波功率的比值，一般僅計(jì)算10～20個(gè)不等的諧波，前三次諧波對THD起主要作用，值越小，品質(zhì)越高。

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

信號(hào)功率與噪聲諧波功率的比值，用于衡量ADC轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)被噪聲影響了多少，為了強(qiáng)調(diào)諧波失真。值得注意的是，SNDR=SNR+THD。

4)無雜散動(dòng)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(nèi)，基波信號(hào)功率和最大諧波功率的比值，值越大，ADC的動(dòng)態(tài)性能越好，轉(zhuǎn)換越接近線性。

2.3 ADC吞吐速度

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

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

為保證AD轉(zhuǎn)換的正確完成，轉(zhuǎn)換率必須大于或等于采樣速率(Sample Rate)。通常將轉(zhuǎn)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(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(fù)雜多變，對器件有著嚴(yán)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(guān)鍵因素。井下溫度在150℃左右，最大不會(huì)超過200℃。隨著溫度的升高，ADC的參數(shù)，諸如信噪比、無雜動(dòng)態(tài)范圍、總諧波失真等參數(shù)都會(huì)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(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)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(shè)計(jì)過程，需要考慮從信號(hào)的產(chǎn)生到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入整個(gè)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(jī)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(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，傳送一個(gè)字節(jié)(8位)時(shí)，一次傳輸1位，傳輸錯(cuò)誤后重新發(fā)送一位即可。并行接口，有八個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)一次將一個(gè)字節(jié)的所有8位同時(shí)傳輸出去，通道間互相干擾，傳輸錯(cuò)誤時(shí)，8個(gè)傳輸數(shù)據(jù)傳輸通道需同時(shí)重新傳輸。所以，只有一個(gè)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(dá)到1 Gb/s，而并行傳輸速率最高只可以達(dá)到100 Mb/s。同時(shí)，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(shè)接口(SPI)、隊(duì)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(diǎn)缺點(diǎn)，如表1所示。

三線接口包括：片選線、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)輸入/主機(jī)輸出線。三線接口時(shí)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(shí)間發(fā)送和接收，接口工作在全雙工模式;邊沿觸發(fā)，更強(qiáng)的抗干擾能力。

二線接口：包括數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線。二線制使用更少的連線，所以可以用于結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì);它為每個(gè)從設(shè)備分配位移的地址，故不需要片選信號(hào);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(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)位，造成問題。

3.3 合適的ADC類型選擇

ADC按結(jié)構(gòu)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(shí)際項(xiàng)目需要，如果對精度要求高，可以選擇∑-△型ADC。如果對轉(zhuǎn)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(hào)的特征及總誤差要求，選擇A/D轉(zhuǎn)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(shí)考慮傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路的精度。精度的選擇，可以參照靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)參數(shù)。確認(rèn)精度要求后，確定分辨率。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換速度的確定

為保證整個(gè)井下系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，需要根據(jù)采集信號(hào)的變化率以及轉(zhuǎn)換精度的要求，去確定A/D轉(zhuǎn)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(hào)采集的過程，信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通過傳感器、信號(hào)調(diào)理、放大等轉(zhuǎn)換過程，原始信號(hào)被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號(hào)。根據(jù)模擬電壓信號(hào)，選擇具有合適電壓輸入范圍的ADC器件，同時(shí)考慮ADC的供電要求。在使用ADC時(shí)，需要輸入電壓滿量程使用以保證轉(zhuǎn)換精度的要求。若輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍較小，需要調(diào)節(jié)參考電壓保證小信號(hào)輸入時(shí)ADC芯片滿足最大的轉(zhuǎn)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

4 微小井眼測量系統(tǒng)ADC的選型

通過對整個(gè)項(xiàng)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(yīng)用，其具有SSOP封裝的28個(gè)管腳.在溫度-40～175℃范圍內(nèi)，各個(gè)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(jié)構(gòu)考慮，其是具有串行接口的逐次逼近型芯片，在抵抗噪聲、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率達(dá)到250 kHz，屬于中速中精度的芯片，完全適用于井下信號(hào)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(zhuǎn)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(dāng)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(xiàng)目選擇合適的A/D芯片具有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)束語

A/D轉(zhuǎn)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(gè)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(gè)必要參考條件;其次，ADC的接口與結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換速度、供電、參考電壓、功耗、成本等多項(xiàng)因素。本文基于項(xiàng)目提出的ADC的選型原則，也具有通用的指導(dǎo)性。