一種可自檢的自然伽馬能譜信號模擬器的設(shè)計(jì)

長江大學(xué) 劉 洋 祁紅學(xué)

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(qiáng)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(jì)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(shè)計(jì)，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(jī)控制程序三部分組成。將上位機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)表存儲(chǔ)在FPGA的RAM中，F(xiàn)PGA控制12位DAC輸出隨機(jī)脈沖，實(shí)現(xiàn)模擬自然伽馬能譜信號的輸出。通過上位機(jī)設(shè)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(jì)數(shù)脈沖輸入至4通道16位計(jì)數(shù)器，得到的計(jì)數(shù)值上傳至PC機(jī)。PC機(jī)控制程序用于更新離散隨機(jī)脈沖數(shù)表、設(shè)置高速能窗比較器的門檻電壓、處理自檢測數(shù)據(jù)。可實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)作為自然伽馬能譜儀器調(diào)試的信號源，所以輸出信號對應(yīng)的能譜已知。存儲(chǔ)在RAM中的隨機(jī)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(jī)隨機(jī)生成隨機(jī)脈沖幅值和隨機(jī)脈沖時(shí)間間隔，模擬器中RAM的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)更新。自然伽馬能譜信號模擬器包括離散隨機(jī)脈沖序列的生成電路、FPGA的離散隨機(jī)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(jī)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(jī)、伽馬脈沖信號的間隔隨機(jī)、伽馬脈沖信號為負(fù)脈沖信號。前兩點(diǎn)特征取決于離散隨機(jī)脈沖序列，離散隨機(jī)脈沖序列通過程序?qū)崿F(xiàn)。

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

（2）離散隨機(jī)脈沖序列的隨機(jī)幅值和隨機(jī)時(shí)間間隔傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)將接收的特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM對應(yīng)的地址。

（3）FPGA以固定頻率將隨機(jī)幅值和隨機(jī)時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為離散隨機(jī)脈沖序列，F(xiàn)PGA狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2(b)所示。

圖2 離散隨機(jī)脈沖數(shù)表的程序設(shè)計(jì)

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(jì)數(shù)率，其計(jì)數(shù)率與自然伽馬能譜相對應(yīng)。因此自然伽馬脈沖信號模擬器對時(shí)間的控制精度要求較高，即采用FPGA作為DAC的時(shí)序控制電路。結(jié)合DAC的特征參數(shù)，設(shè)定DAC的參考電壓 ，一個(gè)周期輸出的離散隨機(jī)脈沖序列點(diǎn)數(shù)為8000個(gè)，TLV5618的數(shù)據(jù)輸出率為 ，輸出一個(gè)序列的周期為 。

TLV5618為SPI總線的串行輸出D/A轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)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(diào)試提供可靠的信號源。自檢功能的設(shè)計(jì)由PC機(jī)設(shè)置四路甄別電路的門檻電壓，實(shí)現(xiàn)對自然伽馬能譜模擬信號的甄別，將甄別后的計(jì)數(shù)脈沖由FPGA計(jì)數(shù)后上傳至PC端，實(shí)時(shí)處理并顯示，保證了信號源設(shè)計(jì)的可靠性。

自檢功能設(shè)置了5個(gè)能譜窗口的比較，因此通過PC機(jī)可設(shè)置4個(gè)門檻電壓值。由FPGA輸出與門檻電壓對應(yīng)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(jì)數(shù)脈沖，由FPGA內(nèi)部的4通道16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并將計(jì)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(shè)計(jì)如圖4所示，需要將負(fù)脈沖信號疊加耦合+5V的直流信號，轉(zhuǎn)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(yīng)的計(jì)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(shè)置為1.6V，2.7V，3.5V時(shí)所對應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖，由圖5可知設(shè)置的門檻電壓越大，輸出的脈沖計(jì)數(shù)率越大，但二者相互對應(yīng)。

圖4 自然伽馬能譜自檢測電路

圖5 不同門檻電壓對應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖

4 上位機(jī)

為了完善自然伽馬能譜信號模擬器的自檢功能，設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序，可實(shí)現(xiàn)離散隨機(jī)脈沖序列更新和門檻電壓的實(shí)時(shí)設(shè)置，并且將自檢參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在PC端，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面

為實(shí)現(xiàn)離散隨機(jī)脈沖序列的實(shí)時(shí)更新，通過調(diào)用隨機(jī)函數(shù)生成具有幅值特征和時(shí)間特征的隨機(jī)數(shù)表，為了減小數(shù)據(jù)傳輸量，提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，沒有在上位機(jī)程序中將幅值特征和時(shí)間特征的隨機(jī)數(shù)表轉(zhuǎn)換為離散隨機(jī)脈沖序列，而是用FPGA通過狀態(tài)機(jī)將數(shù)據(jù)交替輸出，實(shí)現(xiàn)對離散隨機(jī)脈沖序列的轉(zhuǎn)換。

自檢參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，因?yàn)镕PGA固定輸出離散隨機(jī)脈沖序列一個(gè)周期T=1S，而對FPGA脈沖計(jì)數(shù)器的檢測周期也設(shè)置為1S，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳也為1S，在上位機(jī)對自檢參數(shù)顯示時(shí)，可設(shè)置測量的顯示周期，如設(shè)置為5個(gè)檢測周期，即顯示的測量數(shù)據(jù)為最新5次的測量結(jié)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(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種具有自檢功能的自然伽馬能譜信號模擬器，可以實(shí)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(diào)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(nèi)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(yīng)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.