基於微小井眼鑽井技術的A/D轉換器選型研究

摘要：微小井眼鑽井技術是國外近年來發展起來一種前沿技術，具有成本低、安全環保和勘探開發效率高等特點。通過A/D、D/A轉換器將井下模擬信號轉換為數位訊號，經處理後，將數位訊號在轉換成模擬信號去控制設備，實現井下的採集、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、數字接口、原理結構、工作溫度等各個方面，選擇出適合隨鑽測量短節設計的A/D轉換器，保證井下系統數據採集過程的穩定，對整個微小井眼鑽井設備具有重要的作用。

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微小井眼鑽井技術作為新生技術，在國內尚處於起步階段。該技術成本低、效率高且安全環保，是一項有助於發展油氣鑽井的新工藝。基於其優越性，該技術能夠對國民經濟的發展與穩定產生重要的影響，對它的研究發展成為一項緊迫的任務。隨鑽測量技術(Measurement While Drilling)在鑽井技術中首先發展起來，是在鑽進過程中利用傳輸媒介連續傳輸測量信號的測量技術，以實現對各種井下參數的實時測量。這些參數主要包括：軌跡描述參數(傾斜、方位)，工具方向參數(工具面)，地層特性參數(電阻率、自然伽馬、孔隙度等)和其他狀態參數(壓力、扭矩、溫度等)。在微小井眼測井系統中，利用A/D、D/A轉換器完成模擬與數位訊號之間的轉換。實現數據採集、儀器控制、井下通訊等重要任務。井下的環境複雜多變，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定，所以對於A/D轉換器的選擇，除考慮一般性能參數(如精度、轉換速度、功耗等)，還需綜合考慮晶片的數字接口、原理結構和工作溫度，以符合整個系統電路的設計要求。

1 微小井眼鑽井技術與井下環境特點

微小井眼(Micro Hole)鑽井的概念指用連續管鑽小尺寸井眼的鑽井技術。井微小眼尺寸小於88.9 mm，對於井下設備電路具有尺寸的嚴格要求。為實施連續油管的鑽井工藝，必須研究開發控制微小井眼井下鑽井工藝的配套設備(如導向鑽具、測量工具等)，在井下通過串接在進鑽頭出處的測量短節，完成被測參數的傳感器採集、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。井下環境是複雜多變的，隨著鑽井的深入，溫度愈來愈高，元件的性能隨著溫度的變化而發生改變，散熱與功耗也會造成系統誤差的增大，所以一般的晶片不滿足要求。伴隨鑽頭的鑽進，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、溼度都會影響器件的工作狀態。所以，在嚴苛的環境中，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

將模擬信號轉換為二進位的數位訊號的集成電路為A/D轉換器，即AnMog to Digital Converter(簡稱ADC)。在產品手冊上，ADC的參數一般有：模擬輸入、吞吐速度、靜態參數、動態參數、電源、功耗、溫度範圍等。ADC選型的原則的制定就是要結合主要參數和實際的項目工程要求進行選型。

2.1 ADC主要靜態參數

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，那麼，

其中，N為ADC的解析度，單位bit。

於是，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中由於轉換過程中產生失碼，失去編碼「100」，那麼，編碼「011」到「101」之間實際碼寬為1.6LSB，則EDL=0.6LSB。

DNL指標是在消除靜態增益誤差後得到的，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為數字輸出第D個編碼位對應的幅值。

若DNL≤1LSB，那麼可以認為數位訊號在轉換過程中沒有丟碼，且轉換函數單調。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徵，能產生比較好的結果，可以是濾除靜態失調和增益誤差後的結果。若用V0表示零點處幅值，那麼，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主要動態參數

動態參數的定義，是指給ADC加任意正弦信號，假設ADC輸出的數位訊號中，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。則各動態參數定義如下：

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幹擾能力的參數。其中，噪聲功率不包含諧波功率。

2)總諧波失真(Total Harmonic Distortion)

用於表示特定頻率範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)無雜散動態範圍(Spurious Free Dynamic Range)

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

表示在一定的輸出範圍內，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;全並行/串並行型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。對於低速A/D轉換器，用轉換時間表徵A/D的運行速度;而對於高速A/D轉換器，則採用轉換率去表徵A/D的運行速度。

為保證AD轉換的正確完成，轉換率必須大於或等於採樣速率(Sample Rate)。通常將轉換率在數值上等同於採樣速率，常用單位是kSPS和MSPS，每秒採樣千/百萬次(kilo/Million Samples per Second)。

3 ADC選型原則

為配合項目需求，設計與實現應用於微小井眼下隨鑽測量系統中的工程參數測量短節中A/D部分的電路，制定以下選型原則。

3.1 合適的溫度範圍

井下環境複雜多變，對器件有著嚴格的要求，所以環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，諸如信噪比、無雜動態範圍、總諧波失真等參數都會隨之變化。這些參數若受溫度影響的不大，保持相對穩定的變化範圍，對整個系統的穩定性起著至關重要的作用。具有較好溫度特性的器件，屬於特殊器件，先選擇合適的工作溫度，可以縮小器件選擇的範圍。

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據輸入整個過程，也就是數據採集的過程，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，可以分為串行與並行。串行接口。只有一個數據傳輸通道，傳送一個字節(8位)時，一次傳輸1位，傳輸錯誤後重新發送一位即可。並行接口，有八個數據傳輸通道，傳輸數據時一次將一個字節的所有8位同時傳輸出去，通道間互相干擾，傳輸錯誤時，8個傳輸數據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，而並行傳輸速率最高只可以達到100 Mb/s。同時，串行傳輸也不存在幹擾問題，所以串行接口逐漸取代並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、晶片間總線(I2C)等。其中，SPI、QSPI、MICROWIRE是三線制，I2C是二線制。各種接口各有優點缺點，如表1所示。

三線接口包括：片選線、時鐘線和數據輸入/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;數據可以在同一時間發送和接收，接口工作在全雙工模式;邊沿觸發，更強的抗幹擾能力。

二線接口：包括數據線和時鐘線。二線制使用更少的連線，所以可以用於結構緊湊的設計;它為每個從設備分配位移的地址，故不需要片選信號;只有一條數據線的二線制接口，只能工作在半雙工模式;電平觸發，在嘈雜環境中容易產生數據錯位，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)、插值摺疊型(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、差值摺疊或者兩步型。對功耗有要求的，可以選擇逐次逼近型。

3.4 精度與解析度要求

綜合考慮輸入通道信號的特徵及總誤差要求，選擇A/D轉換精度與解析度，符合數據採集精度要求。這裡的精度要求還要同時考慮傳感器、信號調節電路的精度。精度的選擇，可以參照靜態參數與動態參數。確認精度要求後，確定解析度。

3.5 A/D轉換速度的確定

為保證整個井下系統工作的實時性，需要根據採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 輸入參數的確定

ADC的輸入參數主要包括電壓的輸入範圍，參考電壓，供電等。在信號採集的過程，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。根據模擬電壓信號，選擇具有合適電壓輸入範圍的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。若輸入電壓的動態範圍較小，需要調節參考電壓保證小信號輸入時ADC晶片滿足最大的轉換精度。

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

4 微小井眼測量系統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，適用於井下鑽井和高溫環境下的應用，其具有SSOP封裝的28個管腳.在溫度-40～175℃範圍內，各個參數均具有良好的穩定性。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晶片，在抵抗噪聲、轉換速度和低功耗方面有著良好的性能表現。精度方面，具有16位的解析度並且轉換速率達到250 kHz，屬於中速中精度的晶片，完全適用於井下信號採集的精度要求。各主要參數如表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鑽測量系統的要求，尤其具有良好的溫度特性。當然，在對於晶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晶片具有指導作用。

5 結束語

A/D轉換器作為微小井眼井下隨鑽測量系統中採集外界數據的必不可少的器件，影響著整個系統的穩定性與兼容性。對由於井下環境的特殊性，器件的工作溫度範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，以及對噪聲的抗幹擾性。最後，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。本文基於項目提出的ADC的選型原則，也具有通用的指導性。