基于微小井眼钻井技术的A／D转换器选型研究

摘要：微小井眼钻井技术是国外近年来发展起来一种前沿技术，具有成本低、安全环保和勘探开发效率高等特点。通过A/D、D/A转换器将井下模拟信号转换为数字信号，经处理后，将数字信号在转换成模拟信号去控制设备，实现井下的采集、通讯、控制任务。本文通过提出A/D转换器的选型原则，综合考虑性能参数、数字接口、原理结构、工作温度等各个方面，选择出适合随钻测量短节设计的A/D转换器，保证井下系统数据采集过程的稳定，对整个微小井眼钻井设备具有重要的作用。

微小井眼钻井技术作为新生技术，在国内尚处于起步阶段。该技术成本低、效率高且安全环保，是一项有助于发展油气钻井的新工艺。基于其优越性，该技术能够对国民经济的发展与稳定产生重要的影响，对它的研究发展成为一项紧迫的任务。随钻测量技术(Measurement While Drilling)在钻井技术中首先发展起来，是在钻进过程中利用传输媒介连续传输测量信号的测量技术，以实现对各种井下参数的实时测量。这些参数主要包括：轨迹描述参数(倾斜、方位)，工具方向参数(工具面)，地层特性参数(电阻率、自然伽马、孔隙度等)和其他状态参数(压力、扭矩、温度等)。在微小井眼测井系统中，利用A/D、D/A转换器完成模拟与数字信号之间的转换。实现数据采集、仪器控制、井下通讯等重要任务。井下的环境复杂多变，尤其是高温与振动噪声，影响着集成电路中元件的精度与稳定，所以对于A/D转换器的选择，除考虑一般性能参数(如精度、转换速度、功耗等)，还需综合考虑芯片的数字接口、原理结构和工作温度，以符合整个系统电路的设计要求。

1 微小井眼钻井技术与井下环境特点

微小井眼(Micro Hole)钻井的概念指用连续管钻小尺寸井眼的钻井技术。井微小眼尺寸小于88.9 mm，对于井下设备电路具有尺寸的严格要求。为实施连续油管的钻井工艺，必须研究开发控制微小井眼井下钻井工艺的配套设备(如导向钻具、测量工具等)，在井下通过串接在进钻头出处的测量短节，完成被测参数的传感器采集、信号转换和传输电路等功能，A/D转换器便是其中重要的组成部分。井下环境是复杂多变的，随着钻井的深入，温度愈来愈高，元件的性能随着温度的变化而发生改变，散热与功耗也会造成系统误差的增大，所以一般的芯片不满足要求。伴随钻头的钻进，振动与噪声也会影响A/D转化器的正常工作。除此之外，过高的压力、湿度都会影响器件的工作状态。所以，在严苛的环境中，对A/D转换器的选型有着特殊的要求。

2 A/D转换器的主要参数

将模拟信号转换为二进制的数字信号的集成电路为A/D转换器，即AnMog to Digital Converter(简称ADC)。在产品手册上，ADC的参数一般有：模拟输入、吞吐速度、静态参数、动态参数、电源、功耗、温度范围等。ADC选型的原则的制定就是要结合主要参数和实际的项目工程要求进行选型。

2.1 ADC主要静态参数

1)微分非线性(Differential Nonlinearity，DNL，EDL)

为了说明ADC中的DNL误差，以3bit的ADC为例，其量化结果如图1所示。图1中，ADC中，输入信号为谐波信号，理想中的ADC转换曲线如图中虚线所示，而实际转换曲线如图中虚线所示。参考电压为VREF，那么，

其中，N为ADC的分辨率，单位bit。

于是，谐波信号的实际编码对应的压力为谐波信号与实际转换曲线的交点对应的横坐标电压值。DNL定义为，实际量化与理想量化之间的差异：

图1中由于转换过程中产生失码，失去编码“100”，那么，编码“011”到“101”之间实际码宽为1.6LSB，则EDL=0.6LSB。

DNL指标是在消除静态增益误差后得到的，定义如下：若用VLSB表示理想的码宽幅度，Vm表示实际的码宽幅度，则DNL误差又可表示为：

式中：VD为数字输出第D个编码位对应的幅值。

若DNL≤1LSB，那么可以认为数字信号在转换过程中没有丢码，且转换函数单调。若DNL越高，则量化结果中噪声和寄生成分越多，限制了ADC的动态性能。

2)积分非线性(Integrated Nonlinearity，INL，EL)

INL误差，定义为实际转换曲线背离理想转换曲线的程度，实际转换点与理想转换点之差的最大值，以LSB或者满量程的百分比(FSR)来度量。一般，理想转换曲线为直线，可以通过两种方法获得：端点拟合和最佳直线拟合，如图2所示。

端点拟合，是指直接用直线连接实际转换曲线的两个端点，直线位置由零点和满量程点确定。最佳直线拟合，是指对实际输出点的最佳拟合直线，其中包含了失调(截距)误差和增益(斜率)误差的信息。这种方法真正描述器件的线性特征，能产生比较好的结果，可以是滤除静态失调和增益误差后的结果。若用V0表示零点处幅值，那么，INL误差可表示为：

3)失调误差(Offset Error，Eo)

失调误差，又称为零点误差(Zero Error)，指ADC器件的实际转换曲线中零点对应的电压V1与理想零点对应电压V2之间的误差，计算公式如下：

其物理意义表示为ADC器件零输入时的零点漂移的最大偏差，为最佳拟合直线的位移，多数ADC器件可以通过外部电路进行调整，最大限度减少失调误差，接近为零。

4)增益误差(Gain Error，EG)

增益误差，定义为，ADC器件第2N-1个数字输出对应的模拟电压值V1与理论模拟值V2之间的误差，可以看作是最佳拟合直线的斜率，计算公式为：

其物理意义表示看作是最佳拟合直线的斜率，多数ADC器件也可以通过外部电路进行调整，最大限度减少增益误差，接近为零。

2.2 ADC主要动态参数

动态参数的定义，是指给ADC加任意正弦信号，假设ADC输出的数字信号中，噪声的功率为PN、第K次谐波能量为PK、正弦波信号基波功率为PS。则各动态参数定义如下：

1)信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)

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

信噪比越大，混在信号中的噪声越小，输出信号的质量越高，一种最常用的反映器件抵抗噪声干扰能力的参数。其中，噪声功率不包含谐波功率。

2)总谐波失真(Total Harmonic Distortion)

用于表示特定频率范围内的总谐波功率与基波功率的比值，一般仅计算10～20个不等的谐波，前三次谐波对THD起主要作用，值越小，品质越高。

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

信号功率与噪声谐波功率的比值，用于衡量ADC转换时信号被噪声影响了多少，为了强调谐波失真。值得注意的是，SNDR=SNR+THD。

4)无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range)

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

表示在一定的输出范围内，基波信号功率和最大谐波功率的比值，值越大，ADC的动态性能越好，转换越接近线性。

2.3 ADC吞吐速度

1)转换时间(Conversion Time，tC)，指ADC器件完成一次模拟到数字的转换所需要的时间。积分型AD的转换时间为毫秒级，属低速AD;逐次比较型AD的转换时间为微秒级，属中速AD;全并行/串并行型AD的转换时间达纳秒级，属高速AD。

2)转换率(Conversion Rate，tR)，转换时间的倒数。对于低速A/D转换器，用转换时间表征A/D的运行速度;而对于高速A/D转换器，则采用转换率去表征A/D的运行速度。

为保证AD转换的正确完成，转换率必须大于或等于采样速率(Sample Rate)。通常将转换率在数值上等同于采样速率，常用单位是kSPS和MSPS，每秒采样千/百万次(kilo/Million Samples per Second)。

3 ADC选型原则

为配合项目需求，设计与实现应用于微小井眼下随钻测量系统中的工程参数测量短节中A/D部分的电路，制定以下选型原则。

3.1 合适的温度范围

井下环境复杂多变，对器件有着严格的要求，所以环境因素是重要考虑的因素之一。温度是影响器件正常工作的重要因素，也是限制器件选型的关键因素。井下温度在150℃左右，最大不会超过200℃。随着温度的升高，ADC的参数，诸如信噪比、无杂动态范围、总谐波失真等参数都会随之变化。这些参数若受温度影响的不大，保持相对稳定的变化范围，对整个系统的稳定性起着至关重要的作用。具有较好温度特性的器件，属于特殊器件，先选择合适的工作温度，可以缩小器件选择的范围。

3.2 合适的接口选择

ADC的选择，不单单是对器件的选型，更是对整体电路的设计过程，需要考虑从信号的产生到计算机的数据输入整个过程，也就是数据采集的过程，如图3所示。

在ADC与FPGA/单片机之间存在着接口选型的问题，ADC按接口类型，可以分为串行与并行。串行接口。只有一个数据传输通道，传送一个字节(8位)时，一次传输1位，传输错误后重新发送一位即可。并行接口，有八个数据传输通道，传输数据时一次将一个字节的所有8位同时传输出去，通道间互相干扰，传输错误时，8个传输数据传输通道需同时重新传输。所以，只有一个通道的串行传输方式不存在同步的问题，串行的传输速率也不存在限制，可以达到1 Gb/s，而并行传输速率最高只可以达到100 Mb/s。同时，串行传输也不存在干扰问题，所以串行接口逐渐取代并行接口成为主要的接口方式。

串行常见的有串行外设接口(SPI)、队列串行接口(QSPI)、MICROWIRE接口、芯片间总线(I2C)等。其中，SPI、QSPI、MICROWIRE是三线制，I2C是二线制。各种接口各有优点缺点，如表1所示。

三线接口包括：片选线、时钟线和数据输入/主机输出线。三线接口时钟的工作频率更高，不去要上拉电阻;数据可以在同一时间发送和接收，接口工作在全双工模式;边沿触发，更强的抗干扰能力。

二线接口：包括数据线和时钟线。二线制使用更少的连线，所以可以用于结构紧凑的设计;它为每个从设备分配位移的地址，故不需要片选信号;只有一条数据线的二线制接口，只能工作在半双工模式;电平触发，在嘈杂环境中容易产生数据错位，造成问题。

3.3 合适的ADC类型选择

ADC按结构可以分为：逐次逼近型(SAR)、流水线型(Pipeline)、∑-△型(Delta—Sigma)、插值折叠型(FoldingInterpolating)和双步行(Two—Step)等。各种ADC的性能比较如表2所示。

根据实际项目需要，如果对精度要求高，可以选择∑-△型ADC。如果对转换速度有特别要求，可以选择流水线、差值折叠或者两步型。对功耗有要求的，可以选择逐次逼近型。

3.4 精度与分辨率要求

综合考虑输入通道信号的特征及总误差要求，选择A/D转换精度与分辨率，符合数据采集精度要求。这里的精度要求还要同时考虑传感器、信号调节电路的精度。精度的选择，可以参照静态参数与动态参数。确认精度要求后，确定分辨率。

3.5 A/D转换速度的确定

为保证整个井下系统工作的实时性，需要根据采集信号的变化率以及转换精度的要求，去确定A/D转换速度。

3.6 输入参数的确定

ADC的输入参数主要包括电压的输入范围，参考电压，供电等。在信号采集的过程，信号源产生的信号不是标准电信号，通过传感器、信号调理、放大等转换过程，原始信号被转换为标准的模拟电压信号。根据模拟电压信号，选择具有合适电压输入范围的ADC器件，同时考虑ADC的供电要求。在使用ADC时，需要输入电压满量程使用以保证转换精度的要求。若输入电压的动态范围较小，需要调节参考电压保证小信号输入时ADC芯片满足最大的转换精度。

除以上原则，成本、芯片的利用效率等其他因素也是需要考虑的，选择的ADC器件符合整个系统的实际应用。

4 微小井眼测量系统ADC的选型

通过对整个项目中的要求分析和选型原则，选择Texas Instruments的ADS8590-HT，适用于井下钻井和高温环境下的应用，其具有SSOP封装的28个管脚.在温度-40～175℃范围内，各个参数均具有良好的稳定性。其能承受的最高温度为190℃，满足温度条件。从接口方式和结构考虑，其是具有串行接口的逐次逼近型芯片，在抵抗噪声、转换速度和低功耗方面有着良好的性能表现。精度方面，具有16位的分辨率并且转换速率达到250 kHz，属于中速中精度的芯片，完全适用于井下信号采集的精度要求。各主要参数如表3所示。

从表3可以看出，ADS8590-HT无论在精度还是在转换速度上都符合井下随钻测量系统的要求，尤其具有良好的温度特性。当然，在对于芯片的选择上没有唯一的选择，本文提出的选型原则为项目选择合适的A/D芯片具有指导作用。

5 结束语

A/D转换器作为微小井眼井下随钻测量系统中采集外界数据的必不可少的器件，影响着整个系统的稳定性与兼容性。对由于井下环境的特殊性，器件的工作温度范围是选型的一个必要参考条件;其次，ADC的接口与结构的正确选择，影响着ADC器件的精度与速度，以及对噪声的抗干扰性。最后，还需要综合考虑合适的精度、转换速度、供电、参考电压、功耗、成本等多项因素。本文基于项目提出的ADC的选型原则，也具有通用的指导性。