摘要：细小井眼钻井技能是国外近年来开展起来一种前沿技能，具有本钱低、安全环保和勘探开发功率高级特色。经过A/D、D/A转化器将井下模仿信号转化为数字信号，经处理后，将数字信号在转化成模仿信号去操控设备，完结井下的收集、通讯、操控使命。本文经过提出A/D转化器的选型准则，归纳考虑功能参数、数字接口、原理结构、作业温度等各个方面，挑选出适宜随钻丈量短节规划的A/D转化器，确保井下体系数据收集进程的安稳，对整个细小井眼钻井设备具有重要的效果。
细小井眼钻井技能作为重生技能，在国内尚处于起步阶段。该技能本钱低、功率高且安全环保，是一项有助于开展油气钻井的新工艺。依据其优越性，该技能能够对国民经济的开展与安稳发生重要的影响，对它的研讨开展成为一项急迫的使命。随钻丈量技能(Measurement While Drilling)在钻井技能中首要开展起来，是在钻进进程中运用传输前言接连传输丈量信号的丈量技能，以完结对各种井下参数的实时丈量。这些参数首要包含：轨道描绘参数(歪斜、方位)，东西方向参数(东西面)，地层特性参数(电阻率、天然伽马、孔隙度等)和其他状况参数(压力、扭矩、温度等)。在细小井眼测井体系中，运用A/D、D/A转化器完结模仿与数字信号之间的转化。完结数据收集、仪器操控、井下通讯等重要使命。井下的环境复杂多变，特别是高温与振荡噪声，影响着集成电路中元件的精度与安稳，所以关于A/D转化器的挑选，除考虑一般功能参数(如精度、转化速度、功耗等)，还需归纳考虑芯片的数字接口、原理结构和作业温度，以契合整个体系电路的规划要求。
1 细小井眼钻井技能与井下环境特色
细小井眼(Micro Hole)钻井的概念指用接连管钻小尺度井眼的钻井技能。井细小眼尺度小于88.9 mm，关于井下设备电路具有尺度的严厉要求。为施行接连油管的钻井工艺，有必要研讨开发操控细小井眼井下钻井工艺的配套设备(如导向钻具、丈量东西等)，在井下经过串接在进钻头出处的丈量短节，完结被测参数的传感器收集、信号转化和传输电路等功能，A/D转化器便是其间重要的组成部分。井下环境是复杂多变的，跟着钻井的深化，温度愈来愈高，元件的功能跟着温度的改动而发生改动，散热与功耗也会形成体系差错的增大，所以一般的芯片不满意要求。随同钻头的钻进，振荡与噪声也会影响A/D转化器的正常作业。除此之外，过高的压力、湿度都会影响器材的作业状况。所以，在苛刻的环境中，对A/D转化器的选型有着特别的要求。
2 A/D转化器的首要参数
将模仿信号转化为二进制的数字信号的集成电路为A/D转化器，即AnMog to Digital Converter(简称ADC)。在产品手册上，ADC的参数一般有：模仿输入、吞吐速度、静态参数、动态参数、电源、功耗、温度规模等。ADC选型的准则的拟定便是要结合首要参数和实践的项目工程要求进行选型。
2.1 ADC首要静态参数
1)微分非线性(Differential Nonlinearity，DNL，EDL)
为了阐明ADC中的DNL差错，以3bit的ADC为例，其量化成果如图1所示。图1中，ADC中，输入信号为谐波信号，抱负中的ADC转化曲线如图中虚线所示，而实践转化曲线如图中虚线所示。参阅电压为VREF，那么，
其间，N为ADC的分辨率，单位bit。
所以，谐波信号的实践编码对应的压力为谐波信号与实践转化曲线的交点对应的横坐标电压值。DNL界说为，实践量化与抱负量化之间的差异：
图1中因为转化进程中发生失码，失掉编码“100”，那么，编码“011”到“101”之间实践码宽为1.6LSB，则EDL=0.6LSB。
DNL目标是在消除静态增益差错后得到的，界说如下：若用VLSB表明抱负的码宽起伏，Vm表明实践的码宽起伏，则DNL差错又可表明为：
式中：VD为数字输出第D个编码位对应的幅值。
若DNL≤1LSB，那么能够以为数字信号在转化进程中没有丢码，且转化函数单调。若DNL越高，则量化成果中噪声和寄生成分越多，约束了ADC的动态功能。
2)积分非线性(Integrated Nonlinearity，INL，EL)
INL差错，界说为实践转化曲线违背抱负转化曲线的程度，实践转化点与抱负转化点之差的最大值，以LSB或许满量程的百分比(FSR)来衡量。一般，抱负转化曲线为直线，能够经过两种办法取得：端点拟合和最佳直线拟合，如图2所示。
端点拟合，是指直接用直线衔接实践转化曲线的两个端点，直线方位由零点和满量程点承认。最佳直线拟合，是指对实践输出点的最佳拟合直线，其间包含了失调(截距)差错和增益(斜率)差错的信息。这种办法真实描绘器材的线性特征，能发生比较好的成果，能够是滤除静态失谐和增益差错后的成果。若用V0表明零点处幅值，那么，INL差错可表明为：
3)失调差错(Offset Error，Eo)
失调差错，又称为零点差错(Zero Error)，指ADC器材的实践转化曲线中零点对应的电压V1与抱负零点对应电压V2之间的差错，核算公式如下：
其物理含义表明为ADC器材零输入时的零点漂移的最大差错，为最佳拟合直线的位移，大都ADC器材能够经过外部电路进行调整，最大极限削减失调差错，挨近为零。
4)增益差错(Gain Error，EG)
增益差错，界说为，ADC器材第2N-1个数字输出对应的模仿电压值V1与理论模仿值V2之间的差错，能够看作是最佳拟合直线的斜率，核算公式为：
其物理含义表明看作是最佳拟合直线的斜率，大都ADC器材也能够经过外部电路进行调整，最大极限削减增益差错，挨近为零。
2.2 ADC首要动态参数
动态参数的界说，是指给ADC加恣意正弦信号，假定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。则各动态参数界说如下：
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材反抗噪声搅扰才能的参数。其间，噪声功率不包含谐波功率。
2)总谐波失真(Total Harmonic Distortion)
用于表明特定频率规模内的总谐波功率与基波功率的比值，一般仅核算10～20个不等的谐波，前三次谐波对THD起首要效果，值越小，质量越高。
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转化时信号被噪声影响了多少，为了着重谐波失真。值得注意的是，SNDR=SNR+THD。
4)无杂散动态规模(Spurious Free Dynamic Range)
SFDR=10xlg(PS/max(PK)) (13)
表明在必定的输出规模内，基波信号功率和最大谐波功率的比值，值越大，ADC的动态功能越好，转化越挨近线性。
2.3 ADC吞吐速度
1)转化时刻(Conversion Time，tC)，指ADC器材完结一次模仿到数字的转化所需求的时刻。积分型AD的转化时刻为毫秒级，属低速AD;逐次比较型AD的转化时刻为微秒级，属中速AD;全并行/串并行型AD的转化时刻达纳秒级，属高速AD。
2)转化率(Conversion Rate，tR)，转化时刻的倒数。关于低速A/D转化器，用转化时刻表征A/D的运转速度;而关于高速A/D转化器，则选用转化率去表征A/D的运转速度。
为确保AD转化的正确完结，转化率有必要大于或等于采样速率(Sample Rate)。通常将转化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选型准则
为合作项目需求，规划与完结使用于细小井眼下随钻丈量体系中的工程参数丈量短节中A/D部分的电路，拟定以下选型准则。
3.1 适宜的温度规模
井下环境复杂多变，对器材有着严厉的要求，所以环境要素是重要考虑的要素之一。温度是影响器材正常作业的重要要素，也是约束器材选型的关键要素。井下温度在150℃左右，最大不会超越200℃。跟着温度的升高，ADC的参数，比如信噪比、无杂动态规模、总谐波失真等参数都会随之改动。这些参数若受温度影响的不大，坚持相对安稳的改动规模，对整个体系的安稳性起着至关重要的效果。具有较好温度特性的器材，归于特别器材，先挑选适宜的作业温度，能够缩小器材挑选的规模。
3.2 适宜的接口挑选
ADC的挑选，不单单是对器材的选型，更是对全体电路的规划进程，需求考虑从信号的发生到核算机的数据输入整个进程，也便是数据收集的进程，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，能够分为串行与并行。串行接口。只要一个数据传输通道，传送一个字节(8位)时，一次传输1位，传输过错后从头发送一位即可。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一切8位一起传输出去，通道间相互搅扰，传输过错时，8个传输数据传输通道需一起从头传输。所以，只要一个通道的串行传输方法不存在同步的问题，串行的传输速率也不存在约束，能够到达1 Gb/s，而并行传输速率最高只能够到达100 Mb/s。一起，串行传输也不存在搅扰问题，所以串行接口逐步替代并行接口成为首要的接口方法。
串行常见的有串行外设接口(SPI)、行列串行接口(QSPI)、MICROWIRE接口、芯片间总线(I2C)等。其间，SPI、QSPI、M%&&&&&%ROWIRE是三线制，I2C是二线制。各种接口各有长处缺陷，如表1所示。
三线接口包含：片选线、时钟线和数据输入/主机输出线。三线接口时钟的作业频率更高，不去要上拉电阻;数据能够在同一时刻发送和接纳，接口作业在全双工形式;边缘触发，更强的抗搅扰才能。
二线接口：包含数据线和时钟线。二线制运用更少的连线，所以能够用于结构紧凑的规划;它为每个从设备分配位移的地址，故不需求片选信号;只要一条数据线的二线制接口，只能作业在半双工形式;电平触发，在喧闹环境中简单发生数据错位，形成问题。
3.3 适宜的ADC类型挑选
ADC按结构能够分为：逐次迫临型(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的功能比较如表2所示。
依据实践项目需求，假如对精度要求高，能够挑选∑-△型ADC。假如对转化速度有特别要求，能够挑选流水线、差值折叠或许两步型。对功耗有要求的，能够挑选逐次迫临型。
3.4 精度与分辨率要求
归纳考虑输入通道信号的特征及总差错要求，挑选A/D转化精度与分辨率，契合数据收集精度要求。这儿的精度要求还要一起考虑传感器、信号调度电路的精度。精度的挑选，能够参照静态参数与动态参数。承认精度要求后，承认分辨率。
3.5 A/D转化速度的承认
为确保整个井下体系作业的实时性，需求依据收集信号的改动率以及转化精度的要求，去承认A/D转化速度。
3.6 输入参数的承认
ADC的输入参数首要包含电压的输入规模，参阅电压，供电等。在信号收集的进程，信号源发生的信号不是规范电信号，经过传感器、信号调度、扩大等转化进程，原始信号被转化为规范的模仿电压信号。依据模仿电压信号，挑选具有适宜电压输入规模的ADC器材，一起考虑ADC的供电要求。在运用ADC时，需求输入电压满量程运用以确保转化精度的要求。若输入电压的动态规模较小，需求调度参阅电压确保小信号输入时ADC芯片满意最大的转化精度。
除以上准则，本钱、芯片的运用功率等其他要素也是需求考虑的，挑选的ADC器材契合整个体系的实践使用。
4 细小井眼丈量体系ADC的选型
经过对整个项目中的要求剖析和选型准则，挑选Texas Instruments的ADS8590-HT，适用于井下钻井和高温环境下的使用，其具有SSOP封装的28个管脚.在温度-40～175℃规模内，各个参数均具有杰出的安稳性。其能接受的最高温度为190℃，满意温度条件。从接口方法和结构考虑，其是具有串行接口的逐次迫临型芯片，在反抗噪声、转化速度和低功耗方面有着杰出的功能体现。精度方面，具有16位的分辨率而且转化速率到达250 kHz，归于中速中精度的芯片，彻底适用于井下信号收集的精度要求。各首要参数如表3所示。
从表3能够看出，ADS8590-HT不管在精度仍是在转化速度上都契合井下随钻丈量体系的要求，特别具有杰出的温度特性。当然，在关于芯片的挑选上没有仅有的挑选，本文提出的选型准则为项目挑选适宜的A/D芯片具有指导效果。
5 结束语
A/D转化器作为细小井眼井下随钻丈量体系中收集外界数据的必不可少的器材，影响着整个体系的安稳性与兼容性。对因为井下环境的特别性，器材的作业温度规模是选型的一个必要参阅条件;其次，ADC的接口与结构的正确挑选，影响着ADC器材的精度与速度，以及对噪声的抗搅扰性。最终，还需求归纳考虑适宜的精度、转化速度、供电、参阅电压、功耗、本钱等多项要素。本文依据项目提出的ADC的选型准则，也具有通用的指导性。
