基于嵌入式架构的井下高精度模数转换器高温测试系统设计

门百永，鞠晓东，乔文孝，邓 林，成向阳，卢俊强

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;2.中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京 102249;3.中国石油集团测井有限公司华北事业部，河北任丘 062552;4.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555)

基于嵌入式架构的井下高精度模数转换器高温测试系统设计

门百永1，2，鞠晓东1，2，乔文孝1，2，邓 林3，成向阳4，卢俊强1，2

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;2.中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京 102249;3.中国石油集团测井有限公司华北事业部，河北任丘 062552;4.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555)

采用主从式结构，设计一种井下模数转换器(ADC)高温测试系统。系统主机通过以太网与嵌入式前端机互联。基于ARM7-uClinux架构的前端机主要完成温度控制、供电控制及ADC测试控制等，而后续的数据处理、显示及存储等任务由高性能上位机完成。数字相敏检波算法被成功应用于ADC有效位数的快速实时计算。结果表明，测试系统可以完成高温下(175℃)ADC垂直精度、功耗的定量连续测试及失码、波形畸变等工作不稳定状态的识别，为测井仪器数据采集电路的设计、调试和性能检测提供重要的依据。

测井仪器;高温测试;模数转换器;有效位数;嵌入式技术;网络互联;数字相敏检波

现代成像测井仪器为获得精细的地层信息均使用精密的阵列化传感器结构，如国产多极子阵列声波测井(MPAL)有8个接收站［1-2］，新一代的三维反射声波成像测井仪的阵列化探测器更是有上百个换能器组成。阵列化传感器结构使数据采集通道数剧增，而且模拟信号的动态范围大，对模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)的垂直精度提出了更高要求。测井仪器工作在高温高压的恶劣环境中，ADC在高温下的精度、功耗、稳定性、可靠性及一致性对这些高端测井仪器的性能起决定作用，因此在测井仪器研发和产业化过程中，ADC高温筛选和测试是必不可少的。为适应工作温度为175℃的多极子阵列声波测井仪的研发，笔者设计一种基于嵌入式架构的ADC高温测试系统。

1 测试原理

ADC垂直精度主要由有效位数(ENOB，用NEB表示)体现。NEB是ADC的一项综合指标，它反映了积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)、噪声、谐波失真和杂散失真等误差因素，因此NEB是ADC测试和筛选的重要指标。NEB测量主要有频域的快速傅里叶变换(FFT)法和时域的正弦拟合法［3-5］。输入的正弦信号经ADC数字化得到测试信号，二者都是根据这些信号来计算NEB的。FFT法是对采集的时域离散信号进行快速FFT运算，得到信号的频谱，然后从频谱中计算信号、噪声及各谐波分量的功率，从而求出信噪失真比(SINAD)，再根据下式计算出NEB：

式中，NEB为有效位数;Rs为信噪失真比。

FFT法的优点是算法成熟，但是输入信号频率、采样频率及采样长度选择不易做到完全匹配，易因频谱泄漏而造成测试结果偏差大，且计算量也较大，因此在本设计中不使用该方法。正弦拟合法是以正弦函数为模型，以方差最小为准则，运用最小二乘法对测试样本进行回归拟合，根据拟合参数(信号的幅度A，相位φ，直流偏移d)重构拟合函数，再根据下式计算均方根误差QA：

式中，M为样本总长度;xi为第i个样本数据;f为信号频率;fs为样本数据的采样频率;d为信号的直流分量。

然后，根据下式计算NEB：

式中，N为ADC的转换位数;QT为均方根量化误差的理论值。

正弦拟合法的优点是参数求取准确，但是在初始值设置不当时，可能陷入局部极值，而导致较大偏差，而且运算繁琐，实时性比较差。为简化运算，本文中提出一种利用相敏检波算法求取各参数的简便方法，其原理如下：

假设输入信号为

式中，d(n)为第n个样本;I、Q分别为同相、正交分量。

由式(13)、(14)可求得幅度A，相位φ。由此可知，只要把测量信号乘上对应同频率零相位的正弦信号和零相位的余弦波信号，再积分，便可以直接分离出实部和虚部信号。在实际处理中对输入信号采用离散化处理方法，即把积分变作求和处理便可求得信号实部和虚部，进而求得信号的幅度A、相位φ和直流分量d。与拟合法相比，这种方法运算简便，抗噪性强，且参数求取稳定。

数字相敏检波是基于傅里叶变换的，因此为防止因频谱泄漏而造成测试偏差，数据采集须满足如下条件［5］：

式中，L为采样长度;J为采样序列包含信号周期的个数。

快速FFT需要L为2的幂，且J为整数，这就造成对输入信号频率和采样频率限定苛刻，而本方法中并不要求L为2的幂，仅要求L和J均为整数，这样就简化了输入信号频率及采样长度的选择，易于硬件实现。

2 系统设计

ADC高温测试系统主要由上位机、嵌入式前端机、数控电源、继电器阵列、ADC测试控制板、ADC采集控制板、恒温试验箱及温度采集板等组成，其整体结构如图1所示。其中ADC测试控制板和ADC采集控制板是ADC测试的直接相关部分，其他均为辅助部分。

图1 ADC高温测试系统结构框图Fig.1 Block diagram of high temperature ADC test system

上位机和前端机通过以太网互联，形成主从式测控系统。嵌入式前端机是ADC高温测试系统的前端控制中心，其核心是基于ARM7TDMI架构的32位微处理器S3C44B0X［7-9］。前端机运行具有强大网络功能的uClinux［9］实时操作系统，主要完成ADC供电控制、加温控制、ADC测试控制、数据缓存及网络通讯等功能。前端机通过RS485总线与数控电源和恒温试验箱通讯。数控电源用于被测ADC供电，它有4路输出，分别是模拟正、负供电、ADC核心供电和ADC接口供电，各路供电电压值和限流值由前端机设定。继电器阵列主要用于ADC供电的控制，以满足ADC对模拟和数字部分上电顺序的严格要求。恒温试验箱自带PID(比例积分微分算法)温控单元，仅须根据加热曲线设定相关控制参数即可。前端机扩展总线扩展了ARM的地址、数据和控制3种总线，用于控制ADC测试板、温度采集板等扩展板。扩展总线在硬件实现上借鉴了PC104总线的自堆叠式结构，使系统的可靠性和扩展性大大增强。由于恒温试验箱内部空间较大，温度不均匀度可达5℃，为反映ADC的真实温度，专门设计了温度采集板，它可以对8路温度信号进行高精度测量。

ADC测试控制板和ADC采集控制板主要完成高信噪比同步信号产生、同步采集、高速缓冲等功能，其结构如图2所示。ADC测试控制板工作在恒温箱外，ADC采集控制板工作在恒温箱内。ADC采集控制板是ADC测试控制板的延伸，主要用于ADC采集控制和高速数据缓存。ADC测试控制板和ADC采集控制板通过高速串行总线通讯。测试输入正弦信号的产生有两类方法：谐振法和合成法。谐振法是用具有频率选择性的反馈回路来产生正弦振荡而获得所需频率，这种方法由于选择回路带宽不易做得很窄，因此频谱纯度低，不适合ADC测试用，也不便于采样频率和采样长度的合理设计。合成法是指从一个高稳定和准确的参考频率源生成大量离散输出，经DA、滤波后产生高纯度的正弦输出。合成法具有频率稳定、可调、频谱纯度高等特点，适合作为ADC测试输入信号。但是，合成法存在固有的量化噪声、杂散噪声，本设计中为抑制这些噪声，设计了6阶窄带滤波器，以提高其信噪比。

图2 ADC测试控制结构框图Fig.2 Block diagram of ADC test control

ADC测试电路结构和后期处理方法是紧密结合的，为满足后期数据处理的需要，DAC控制时钟和ADC转换时钟都源自高稳定的20 MHz晶振，以保证整周期同步采集。设计测试信号为20 kHz，DAC输入信号为20MHz，则正弦查找表深度为1000，正弦查找表以ROM形式储存于FPGA(现场可编程门阵列)中。这样，采样时钟仅要由20 MHz时钟源分频为输入信号的整数倍即可。ADC采集控制板工作时，每帧采集8 192个数据，其中前8000个数据直接锁存入高温FIFO(先进先出存储器)中，后192点被CPLD(复杂可编程逻辑器件)产生的固定交替变化数据代替，用以检测FIFO及CPLD的工作状态。

被锁存入FIFO的AD数据和测试数据而后被CPLD逐个读出并以20 Mbps的速度串行上传。ADC测试控制板接收到上传数据后存入本地同步FIFO中，并以中断方式通知前端机读取。前端机得到数据后通过以太网将其上传给上位机。上位机根据前述处理方法处理ADC测试数据，并图显、存储各参数。

3 测试结果分析

本系统实现了多款高精度ADC的高温自动化筛选和测试，成功为175℃阵列声波测井仪和声波测井智能探测传感器筛选出了高性能高可靠的ADC。图3为某两款16位ADC的测试参数。

图3 16位ADC高温测试结果Fig.3 High temperature test results of 16-bits ADC

从图3可以看出，这两款ADC都能在175℃下正常工作超过2 h，且具有以下特征：

(1)两款ADC的有效位数都随着温度的升高而不断下降。在125℃以下时，降低速度较慢，但当温度高于125℃时，二者都剧烈下降，A型ADC下降了0.6 bit，而 B型 ADC下降了1.3 bit，A型ADC在高温下的垂直精度明显高于B型。

(2)在温度高于125℃时，两款ADC工作电流都显著增加。这两款ADC的室温至175℃范围内的电流变化特性并不一致，在温度低于125℃时，A型ADC随温度升高而缓慢降低(由23 mA降低为20 mA)，而B型ADC缓慢升高(由22 mA升高到26 mA)。当温度高于125℃时，二者均快速增加，在175℃时，分别达到35 mA和38 mA，功耗接近室温的2倍。

(3)两款ADC测量信号的幅值在125℃下随温度升高而略有降低，在温度高于125℃时，随温度升高而快速增加，两者的变化规律相似。信号的幅值的变化主要受ADC的参考源影响，高精度、低温漂参考源有利于改善测量信号幅值随温度漂移的问题，对信号幅度敏感仪器，如阵列感应测井仪和微电阻率扫描测井仪等，需要加入相应的刻度电路来修正ADC因温度变化而产生的幅度漂移。

这两款ADC均为SAR(逐次逼近型)结构，在125℃以下，各参数随温度变化不大，但是当温度超过125℃后，各参数均随温度迅速增加。A型变化率明显小于B型，因此A型更适合应用于高温测井仪器。另外，在175℃高温环境中ADC的功耗都是成倍的增加，因此井下采集电路需要合理的散热设计，以降低ADC结温与环境温度差，保证仪器可靠工作。

4 结束语

将数字相敏检波方法成功应用于ADC有效位数的计算，与其他方法相比大大简化了计算的复杂度和系统硬件设计，提高了测试系统的实时性。另外，基于嵌入式架构的前端机通过以太网与功能强大的通用PC机连接，使该测试具有良好的扩展性、可靠性和互联性。该系统测试结果已成功服务于175℃多极子阵列声波测井仪和声波测井智能传感器的设计，为测井仪器数据采集电路的设计、调试和性能检测提供重要的依据。

［1］成向阳，鞠晓东，卢俊强.基于串行总线的井下多通道高速高精度数据采集系统的设计［J］.中国石油大学学报：自然科学版，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］卢俊强，鞠晓东，成向阳.正交偶极阵列声波测井仪的设计［J］.中国石油大学学报：自然科学版，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］ 胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现［M］.北京：清华大学出版社，1996：92-93.

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［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］刘峥嵘，张智超，许振山.嵌入式Linux应用开发详解［M］.北京：机械工业出版社，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

国家自然科学基金面上项目(40874097);国家科技重大专项课题(2011ZX05020－009)

门百永(1983－)，男(汉族)，河南南阳人，博士研究生，从事地球物理测井仪器研究。

(编辑 修荣荣)