一種可自檢的自然伽馬能譜信號模擬器的設計

長江大學 劉 洋 祁紅學

釷（Th）、鈾（U）、鉀（K）三種元素的含量占地層中放射性元素總量的99%以上[1]。不同巖性中放射性元素的含量不同，種類也有所差異[2]。自然伽瑪測井原理就是利用伽瑪射線探測器測量地層中總的自然伽瑪射線強度，用以劃分地層巖性及滲透層[3]。而在伽馬儀器開發(fā)過程中，存在閃爍計數(shù)器的成本高，儀器的開發(fā)周期長等系列問題，本文提出了一種可自檢的自然伽馬能譜信號模擬器的設計，提供一種可模擬、可檢測、可顯示的完整自然伽瑪能譜信號源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)由自然伽馬能譜信號發(fā)生電路、自然伽馬能譜自檢測電路、上位機控制程序三部分組成。將上位機生成的隨機數(shù)表存儲在FPGA的RAM中，F(xiàn)PGA控制12位DAC輸出隨機脈沖，實現(xiàn)模擬自然伽馬能譜信號的輸出。通過上位機設置輸出4通路PWM信號，低通濾波后作為高速能窗比較器的門檻電壓，將不同能窗的計數(shù)脈沖輸入至4通道16位計數(shù)器，得到的計數(shù)值上傳至PC機。PC機控制程序用于更新離散隨機脈沖數(shù)表、設置高速能窗比較器的門檻電壓、處理自檢測數(shù)據(jù)?？蓪崟r更新自然伽馬能譜信號模擬器的輸出并完成自檢功能，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 自然伽馬能譜信號發(fā)生電路

本設計作為自然伽馬能譜儀器調試的信號源，所以輸出信號對應的能譜已知。存儲在RAM中的隨機脈沖序列呈周期性輸出，為了使自然伽馬能譜信號模擬器更具有一般性，通過PC機隨機生成隨機脈沖幅值和隨機脈沖時間間隔，模擬器中RAM的數(shù)據(jù)可實時更新。自然伽馬能譜信號模擬器包括離散隨機脈沖序列的生成電路、FPGA的離散隨機脈沖數(shù)表的輸出控制電路、DAC的脈沖信號輸出電路。

2.1 離散隨機脈沖序列的生成

在自然伽馬能譜檢測中，由光電倍增管輸出的自然伽馬脈沖信號具有以下特征：伽馬脈沖信號的幅值隨機、伽馬脈沖信號的間隔隨機、伽馬脈沖信號為負脈沖信號。前兩點特征取決于離散隨機脈沖序列，離散隨機脈沖序列通過程序實現(xiàn)。

（1）上位機程序調用隨機函數(shù)產(chǎn)生200個隨機脈沖幅值、200個隨機脈沖時間間隔，分別包含了離散隨機脈沖序列的幅值特征和時間特征，其程序流程圖如圖2(a)所示。

（2）離散隨機脈沖序列的隨機幅值和隨機時間間隔傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA實時將接收的特征數(shù)據(jù)存儲在RAM對應的地址。

（3）FPGA以固定頻率將隨機幅值和隨機時間間隔轉換為離散隨機脈沖序列，F(xiàn)PGA狀態(tài)轉換圖如圖2(b)所示。

圖2 離散隨機脈沖數(shù)表的程序設計

2.2 FPGA控制DAC輸出模擬信號

自然伽馬脈沖信號通過甄別電路，測量脈沖計數(shù)率，其計數(shù)率與自然伽馬能譜相對應。因此自然伽馬脈沖信號模擬器對時間的控制精度要求較高，即采用FPGA作為DAC的時序控制電路。結合DAC的特征參數(shù)，設定DAC的參考電壓 ，一個周期輸出的離散隨機脈沖序列點數(shù)為8000個，TLV5618的數(shù)據(jù)輸出率為 ，輸出一個序列的周期為 。

TLV5618為SPI總線的串行輸出D/A轉換器，為單極性電壓輸出型，即TLV5618的SPI接口引腳與FPGA的SPI接口相連，通過反相電路輸出負脈沖信號，示波器中觀測的自然伽馬脈沖模擬器輸出信號如圖3所示，其中通道1為TLV5618輸出的正脈沖信號，通道2為反相電路輸出的負脈沖信號。

圖3 自然伽馬脈沖模擬器輸出信號

3 自然伽馬能譜自檢測電路

為保證自然伽馬能譜信號模擬器性能穩(wěn)定，為自然伽馬能譜測(錄)井儀器的甄別電路調試提供可靠的信號源。自檢功能的設計由PC機設置四路甄別電路的門檻電壓，實現(xiàn)對自然伽馬能譜模擬信號的甄別，將甄別后的計數(shù)脈沖由FPGA計數(shù)后上傳至PC端，實時處理并顯示，保證了信號源設計的可靠性。

自檢功能設置了5個能譜窗口的比較，因此通過PC機可設置4個門檻電壓值。由FPGA輸出與門檻電壓對應的PWM信號，通過低通濾波輸出4路門檻電壓，甄別自然伽馬能譜模擬信號產(chǎn)生4通道計數(shù)脈沖，由FPGA內部的4通道16位計數(shù)器計數(shù)，并將計數(shù)值每1S上傳至PC界面顯示。

模擬信號的門檻甄別電路的設計如圖4所示，需要將負脈沖信號疊加耦合+5V的直流信號，轉換為正脈沖信號，通過具有一定門限值的滯回比較器，輸出與門檻電壓一一對應的計數(shù)脈沖，如圖5所示，通道2、通道3、通道4分別是門檻電壓設置為1.6V，2.7V，3.5V時所對應的計數(shù)脈沖，由圖5可知設置的門檻電壓越大，輸出的脈沖計數(shù)率越大，但二者相互對應。

圖4 自然伽馬能譜自檢測電路

圖5 不同門檻電壓對應的計數(shù)脈沖

4 上位機

為了完善自然伽馬能譜信號模擬器的自檢功能，設計了上位機程序，可實現(xiàn)離散隨機脈沖序列更新和門檻電壓的實時設置，并且將自檢參數(shù)實時顯示在PC端，如圖6所示。

圖6 上位機界面

為實現(xiàn)離散隨機脈沖序列的實時更新，通過調用隨機函數(shù)生成具有幅值特征和時間特征的隨機數(shù)表，為了減小數(shù)據(jù)傳輸量，提高數(shù)據(jù)傳輸準確性，沒有在上位機程序中將幅值特征和時間特征的隨機數(shù)表轉換為離散隨機脈沖序列，而是用FPGA通過狀態(tài)機將數(shù)據(jù)交替輸出，實現(xiàn)對離散隨機脈沖序列的轉換。

自檢參數(shù)的實時顯示，因為FPGA固定輸出離散隨機脈沖序列一個周期T=1S，而對FPGA脈沖計數(shù)器的檢測周期也設置為1S，數(shù)據(jù)實時上傳也為1S，在上位機對自檢參數(shù)顯示時，可設置測量的顯示周期，如設置為5個檢測周期，即顯示的測量數(shù)據(jù)為最新5次的測量結果，并將測量數(shù)據(jù)誤差分析，保證模擬器的信號輸出穩(wěn)定準確。

5 結束語

設計了一種具有自檢功能的自然伽馬能譜信號模擬器，可以實現(xiàn)自然伽馬能譜信號的模擬輸出與自檢測功能。在自然伽瑪能譜測(錄)井儀器的開發(fā)中，可以作為自然伽馬脈沖信號甄別器調試的信號源。

[1]曾曉豐,周齊志.基于FPGA的自然伽瑪能譜測井儀的研制[J].內蒙古石油化工,2013.

[2]姚文彬,郭云,張松煒,李輝,尚捷,劉曉斌.自然伽馬測井儀測井響應分析研究[J].石油儀器,2013.

[3]馮啟寧等.測井儀器原理[M].石油工業(yè)出版社,2010.