内容摘要：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)
