門百永，鞠曉東，喬文孝，鄧 林，成向陽，盧俊強(qiáng)

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國石油大學(xué)北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司華北事業(yè)部，河北任丘 062552;4.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

基于嵌入式架構(gòu)的井下高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器高溫測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門百永1，2，鞠曉東1，2，喬文孝1，2，鄧 林3，成向陽4，盧俊強(qiáng)1，2

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國石油大學(xué)北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司華北事業(yè)部，河北任丘 062552;4.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

采用主從式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種井下模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)高溫測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主機(jī)通過以太網(wǎng)與嵌入式前端機(jī)互聯(lián)?；贏RM7-uClinux架構(gòu)的前端機(jī)主要完成溫度控制、供電控制及ADC測試控制等，而后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲等任務(wù)由高性能上位機(jī)完成。數(shù)字相敏檢波算法被成功應(yīng)用于ADC有效位數(shù)的快速實(shí)時計(jì)算。結(jié)果表明，測試系統(tǒng)可以完成高溫下(175℃)ADC垂直精度、功耗的定量連續(xù)測試及失碼、波形畸變等工作不穩(wěn)定狀態(tài)的識別，為測井儀器數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和性能檢測提供重要的依據(jù)。

測井儀器;高溫測試;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;有效位數(shù);嵌入式技術(shù);網(wǎng)絡(luò)互聯(lián);數(shù)字相敏檢波

現(xiàn)代成像測井儀器為獲得精細(xì)的地層信息均使用精密的陣列化傳感器結(jié)構(gòu)，如國產(chǎn)多極子陣列聲波測井(MPAL)有8個接收站［1-2］，新一代的三維反射聲波成像測井儀的陣列化探測器更是有上百個換能器組成。陣列化傳感器結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)采集通道數(shù)劇增，而且模擬信號的動態(tài)范圍大，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)的垂直精度提出了更高要求。測井儀器工作在高溫高壓的惡劣環(huán)境中，ADC在高溫下的精度、功耗、穩(wěn)定性、可靠性及一致性對這些高端測井儀器的性能起決定作用，因此在測井儀器研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中，ADC高溫篩選和測試是必不可少的。為適應(yīng)工作溫度為175℃的多極子陣列聲波測井儀的研發(fā)，筆者設(shè)計(jì)一種基于嵌入式架構(gòu)的ADC高溫測試系統(tǒng)。

1 測試原理

ADC垂直精度主要由有效位數(shù)(ENOB，用NEB表示)體現(xiàn)。NEB是ADC的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，它反映了積分非線性(INL)、微分非線性(DNL)、噪聲、諧波失真和雜散失真等誤差因素，因此NEB是ADC測試和篩選的重要指標(biāo)。NEB測量主要有頻域的快速傅里葉變換(FFT)法和時域的正弦擬合法［3-5］。輸入的正弦信號經(jīng)ADC數(shù)字化得到測試信號，二者都是根據(jù)這些信號來計(jì)算NEB的。FFT法是對采集的時域離散信號進(jìn)行快速FFT運(yùn)算，得到信號的頻譜，然后從頻譜中計(jì)算信號、噪聲及各諧波分量的功率，從而求出信噪失真比(SINAD)，再根據(jù)下式計(jì)算出NEB：

式中，NEB為有效位數(shù);Rs為信噪失真比。

FFT法的優(yōu)點(diǎn)是算法成熟，但是輸入信號頻率、采樣頻率及采樣長度選擇不易做到完全匹配，易因頻譜泄漏而造成測試結(jié)果偏差大，且計(jì)算量也較大，因此在本設(shè)計(jì)中不使用該方法。正弦擬合法是以正弦函數(shù)為模型，以方差最小為準(zhǔn)則，運(yùn)用最小二乘法對測試樣本進(jìn)行回歸擬合，根據(jù)擬合參數(shù)(信號的幅度A，相位φ，直流偏移d)重構(gòu)擬合函數(shù)，再根據(jù)下式計(jì)算均方根誤差QA：

式中，M為樣本總長度;xi為第i個樣本數(shù)據(jù);f為信號頻率;fs為樣本數(shù)據(jù)的采樣頻率;d為信號的直流分量。

然后，根據(jù)下式計(jì)算NEB：

式中，N為ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù);QT為均方根量化誤差的理論值。

正弦擬合法的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)求取準(zhǔn)確，但是在初始值設(shè)置不當(dāng)時，可能陷入局部極值，而導(dǎo)致較大偏差，而且運(yùn)算繁瑣，實(shí)時性比較差。為簡化運(yùn)算，本文中提出一種利用相敏檢波算法求取各參數(shù)的簡便方法，其原理如下：

假設(shè)輸入信號為

式中，d(n)為第n個樣本;I、Q分別為同相、正交分量。

由式(13)、(14)可求得幅度A，相位φ。由此可知，只要把測量信號乘上對應(yīng)同頻率零相位的正弦信號和零相位的余弦波信號，再積分，便可以直接分離出實(shí)部和虛部信號。在實(shí)際處理中對輸入信號采用離散化處理方法，即把積分變作求和處理便可求得信號實(shí)部和虛部，進(jìn)而求得信號的幅度A、相位φ和直流分量d。與擬合法相比，這種方法運(yùn)算簡便，抗噪性強(qiáng)，且參數(shù)求取穩(wěn)定。

數(shù)字相敏檢波是基于傅里葉變換的，因此為防止因頻譜泄漏而造成測試偏差，數(shù)據(jù)采集須滿足如下條件［5］：

式中，L為采樣長度;J為采樣序列包含信號周期的個數(shù)。

快速FFT需要L為2的冪，且J為整數(shù)，這就造成對輸入信號頻率和采樣頻率限定苛刻，而本方法中并不要求L為2的冪，僅要求L和J均為整數(shù)，這樣就簡化了輸入信號頻率及采樣長度的選擇，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ADC高溫測試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、嵌入式前端機(jī)、數(shù)控電源、繼電器陣列、ADC測試控制板、ADC采集控制板、恒溫試驗(yàn)箱及溫度采集板等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中ADC測試控制板和ADC采集控制板是ADC測試的直接相關(guān)部分，其他均為輔助部分。

圖1 ADC高溫測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of high temperature ADC test system

上位機(jī)和前端機(jī)通過以太網(wǎng)互聯(lián)，形成主從式測控系統(tǒng)。嵌入式前端機(jī)是ADC高溫測試系統(tǒng)的前端控制中心，其核心是基于ARM7TDMI架構(gòu)的32位微處理器S3C44B0X［7-9］。前端機(jī)運(yùn)行具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的uClinux［9］實(shí)時操作系統(tǒng)，主要完成ADC供電控制、加溫控制、ADC測試控制、數(shù)據(jù)緩存及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。前端機(jī)通過RS485總線與數(shù)控電源和恒溫試驗(yàn)箱通訊。數(shù)控電源用于被測ADC供電，它有4路輸出，分別是模擬正、負(fù)供電、ADC核心供電和ADC接口供電，各路供電電壓值和限流值由前端機(jī)設(shè)定。繼電器陣列主要用于ADC供電的控制，以滿足ADC對模擬和數(shù)字部分上電順序的嚴(yán)格要求。恒溫試驗(yàn)箱自帶PID(比例積分微分算法)溫控單元，僅須根據(jù)加熱曲線設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)即可。前端機(jī)擴(kuò)展總線擴(kuò)展了ARM的地址、數(shù)據(jù)和控制3種總線，用于控制ADC測試板、溫度采集板等擴(kuò)展板。擴(kuò)展總線在硬件實(shí)現(xiàn)上借鑒了PC104總線的自堆疊式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。由于恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)部空間較大，溫度不均勻度可達(dá)5℃，為反映ADC的真實(shí)溫度，專門設(shè)計(jì)了溫度采集板，它可以對8路溫度信號進(jìn)行高精度測量。

ADC測試控制板和ADC采集控制板主要完成高信噪比同步信號產(chǎn)生、同步采集、高速緩沖等功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC測試控制板工作在恒溫箱外，ADC采集控制板工作在恒溫箱內(nèi)。ADC采集控制板是ADC測試控制板的延伸，主要用于ADC采集控制和高速數(shù)據(jù)緩存。ADC測試控制板和ADC采集控制板通過高速串行總線通訊。測試輸入正弦信號的產(chǎn)生有兩類方法：諧振法和合成法。諧振法是用具有頻率選擇性的反饋回路來產(chǎn)生正弦振蕩而獲得所需頻率，這種方法由于選擇回路帶寬不易做得很窄，因此頻譜純度低，不適合ADC測試用，也不便于采樣頻率和采樣長度的合理設(shè)計(jì)。合成法是指從一個高穩(wěn)定和準(zhǔn)確的參考頻率源生成大量離散輸出，經(jīng)DA、濾波后產(chǎn)生高純度的正弦輸出。合成法具有頻率穩(wěn)定、可調(diào)、頻譜純度高等特點(diǎn)，適合作為ADC測試輸入信號。但是，合成法存在固有的量化噪聲、雜散噪聲，本設(shè)計(jì)中為抑制這些噪聲，設(shè)計(jì)了6階窄帶濾波器，以提高其信噪比。

圖2 ADC測試控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of ADC test control

ADC測試電路結(jié)構(gòu)和后期處理方法是緊密結(jié)合的，為滿足后期數(shù)據(jù)處理的需要，DAC控制時鐘和ADC轉(zhuǎn)換時鐘都源自高穩(wěn)定的20 MHz晶振，以保證整周期同步采集。設(shè)計(jì)測試信號為20 kHz，DAC輸入信號為20MHz，則正弦查找表深度為1000，正弦查找表以ROM形式儲存于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)中。這樣，采樣時鐘僅要由20 MHz時鐘源分頻為輸入信號的整數(shù)倍即可。ADC采集控制板工作時，每幀采集8 192個數(shù)據(jù)，其中前8000個數(shù)據(jù)直接鎖存入高溫FIFO(先進(jìn)先出存儲器)中，后192點(diǎn)被CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)產(chǎn)生的固定交替變化數(shù)據(jù)代替，用以檢測FIFO及CPLD的工作狀態(tài)。

被鎖存入FIFO的AD數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)而后被CPLD逐個讀出并以20 Mbps的速度串行上傳。ADC測試控制板接收到上傳數(shù)據(jù)后存入本地同步FIFO中，并以中斷方式通知前端機(jī)讀取。前端機(jī)得到數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)將其上傳給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)前述處理方法處理ADC測試數(shù)據(jù)，并圖顯、存儲各參數(shù)。

3 測試結(jié)果分析

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多款高精度ADC的高溫自動化篩選和測試，成功為175℃陣列聲波測井儀和聲波測井智能探測傳感器篩選出了高性能高可靠的ADC。圖3為某兩款16位ADC的測試參數(shù)。

圖3 16位ADC高溫測試結(jié)果Fig.3 High temperature test results of 16-bits ADC

從圖3可以看出，這兩款A(yù)DC都能在175℃下正常工作超過2 h，且具有以下特征：

(1)兩款A(yù)DC的有效位數(shù)都隨著溫度的升高而不斷下降。在125℃以下時，降低速度較慢，但當(dāng)溫度高于125℃時，二者都劇烈下降，A型ADC下降了0.6 bit，而 B型 ADC下降了1.3 bit，A型ADC在高溫下的垂直精度明顯高于B型。

(2)在溫度高于125℃時，兩款A(yù)DC工作電流都顯著增加。這兩款A(yù)DC的室溫至175℃范圍內(nèi)的電流變化特性并不一致，在溫度低于125℃時，A型ADC隨溫度升高而緩慢降低(由23 mA降低為20 mA)，而B型ADC緩慢升高(由22 mA升高到26 mA)。當(dāng)溫度高于125℃時，二者均快速增加，在175℃時，分別達(dá)到35 mA和38 mA，功耗接近室溫的2倍。

(3)兩款A(yù)DC測量信號的幅值在125℃下隨溫度升高而略有降低，在溫度高于125℃時，隨溫度升高而快速增加，兩者的變化規(guī)律相似。信號的幅值的變化主要受ADC的參考源影響，高精度、低溫漂參考源有利于改善測量信號幅值隨溫度漂移的問題，對信號幅度敏感儀器，如陣列感應(yīng)測井儀和微電阻率掃描測井儀等，需要加入相應(yīng)的刻度電路來修正ADC因溫度變化而產(chǎn)生的幅度漂移。

這兩款A(yù)DC均為SAR(逐次逼近型)結(jié)構(gòu)，在125℃以下，各參數(shù)隨溫度變化不大，但是當(dāng)溫度超過125℃后，各參數(shù)均隨溫度迅速增加。A型變化率明顯小于B型，因此A型更適合應(yīng)用于高溫測井儀器。另外，在175℃高溫環(huán)境中ADC的功耗都是成倍的增加，因此井下采集電路需要合理的散熱設(shè)計(jì)，以降低ADC結(jié)溫與環(huán)境溫度差，保證儀器可靠工作。

4 結(jié)束語

將數(shù)字相敏檢波方法成功應(yīng)用于ADC有效位數(shù)的計(jì)算，與其他方法相比大大簡化了計(jì)算的復(fù)雜度和系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高了測試系統(tǒng)的實(shí)時性。另外，基于嵌入式架構(gòu)的前端機(jī)通過以太網(wǎng)與功能強(qiáng)大的通用PC機(jī)連接，使該測試具有良好的擴(kuò)展性、可靠性和互聯(lián)性。該系統(tǒng)測試結(jié)果已成功服務(wù)于175℃多極子陣列聲波測井儀和聲波測井智能傳感器的設(shè)計(jì)，為測井儀器數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和性能檢測提供重要的依據(jù)。

［1］成向陽，鞠曉東，盧俊強(qiáng).基于串行總線的井下多通道高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32(2)：47-52.

CHENG Xiang-yang，JU Xiao-dong，LU Jun-qiang.Design of high-speed and high-precision data acquisition system with multi-channel applied to downhole tools on the basis of serial bus［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2008，32(2)：47-52.

［2］盧俊強(qiáng)，鞠曉東，成向陽.正交偶極陣列聲波測井儀的設(shè)計(jì)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32(1)：42-46.

LU Jun-qiang，JU Xiao-dong，CHENG Xiang-yang.Design of cross dipole array acoustic logging tool［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2008，32(1)：42-46.

［3］Waveform Measurement and Analysis Technical Committee.Standard for digitizing waveform recorders［S］.New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2001.

［4］Waveform Measurement and Analysis Technical Committee.Standard for terminology and test methods for analogto-digital converter［S］.New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2000.

［5］WALT Kester.Data conversion handbook［M］.Burlington：Newsnes，2005：320-323.

［6］ 胡廣書.數(shù)字信號處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996：92-93.

［7］Samsung Electronics.S3C44B0X Data Sheet［EB/OL］.2002：2-5［2009-09-16］.http：//www.samsung.com/global/business/semiconductor/productInfo.do?fmly_id=837＆partnum=S3C44B0＆xFmly_id=229.

［8］ARM Corporation.ARM Developer Suite Version 1.2 Linker and Utilities Guide.ARM Corporation［EB/OL］.2001：48-53［2010-12-25］. http：//infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.dui0151a/DUI0151.pdf.

［9］劉崢嶸，張智超，許振山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：53-55.

Design of high temperature test system for high-accurate ADC based on embedded structures

MEN Bai-yong1，2，JU Xiao-dong1，2，QIAO Wen-xiao1，2，DENG Lin3，CHENG Xiang-yang4，LU Jun-qiang1，2
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.Beijing Earth Explorer and Information Technology Laboratory in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3.Division of Northern China，China Petroleum Logging Company Limited，Renqiu 062552，China;4.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

Based on principal and subordinate structure，high temperature test system for high-accurate analog-to-digital converter(ADC)was designed.The host PC interconnects with embedded front-end via Ethernet.The embedded front-end based on ARM-uClinux structure performs temperature control，power supply control and ADC test control，etc.The subsequent data processing，display and storage tasks are handled by host PC.The results show that digital phase sensitive detection algorithm is successfully applied to real-time calculation of effective number of bits.The system can automatically perform testing of ADC's vertical accuracy，power consumption，loss code and waveform distortion at 175℃.It provides important reference for the design，debugging and scale of logging tools.

logging tool;high temperature test;analog-to-digital converter(ADC);effective number of bits;embedded technique;network connection;digital phase sensitive detection

TP 274.5

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.013

1673-5005(2011)03-0067-05

2010－12－10

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(40874097);國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05020－009)

門百永(1983－)，男(漢族)，河南南陽人，博士研究生，從事地球物理測井儀器研究。

(編輯 修榮榮)