伽馬測井中高溫高速數字多道的設計與研究

呂新龍，王 敏，廖光輝，萬文杰，楊體波

(成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

0 引言

在深部巖性和物性復雜地質探測領域，中子伽馬測井是測井系列技術中為數不多的套管內測井技術[1]。由于測量過程中會出現高溫、高壓的環境，目前國內還沒有可以在高溫探測環境下正常工作的測井儀器。在高溫試驗中，普通的數字能譜測量系統在超過120 ℃的環境下便無法正常工作。

對此，需要設計一款能夠在高溫情況下正常工作的數字多道分析系統。該系統可以在155 ℃環境溫度下，以100 MS/s采樣速度正常工作，使國產造巖元素中子伽馬測井儀器具備快速能譜采集、耐高溫高壓的能力，可識別元素數量不少于16種。該系統明顯增加了求取的礦物種類，提高了礦產資源含量精度，使造巖元素測井儀器更為實用化。

傳統能譜測量系統由探測器、前置放大器、主放大電路、脈沖甄別電路、峰值保持電路、模擬數字轉換器(analog to digital converter,ADC)采樣和微處理器組成。傳統模擬多道通過成形電路、峰值保持電路后，采集峰值獲得能譜[1]。此類模擬多道能譜儀主要采用模擬電路實現，因此開發周期較長、抗干擾能力較弱、受溫度影響大、系統靈活性差。

隨著計算機技術的高速發展，核信號處理技術得到了極大的發展和進步[2-5]。數字能譜測量系統隨之出現。數字化譜儀系統對比模擬譜儀系統具有多方面的優勢,是目前的發展方向[6]。該系統采用ADC進行脈沖采樣，電路不存在死區時間；同時，采用高速現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為信號處理芯片，可以在控制ADC進行高速采集的過程中，同步實現數據緩存、脈沖濾波、脈沖成型、幅值分析、能譜計數等功能[7]。硬件計算能力的提高使得核信號處理方法也得到了提高[8-10]。使用濾波成型算法能夠有效減小核脈沖信號中電子學噪聲和彈道虧損等對能量分辨率的影響[11]。脈沖濾波成型方法主要有高斯成型、梯形成型、尖頂成型。數字能譜測量系統使用尖頂成型算法，有效地減少了核信號的白噪聲和計數率的損失。

1 系統總體結構

本文研制了一款能夠在高溫高壓下正常工作的數字多道電路板，通過多次芯片選型、電路改進和相應試驗，使數字多道系統達到耐高溫、高壓的條件。

數字多道系統框圖如圖1所示。

圖1 數字多道系統框圖 Fig.1 Block diagram of digital multi-channel system

數字多道分析系統分為快速前置放大器部分、核信號處理存儲部分、電源供電部分、電路板溫度監測部分、通信部分，設計重點在于將核信號處理算法、CAN總線通信以IP核形式固化到FPGA內。在高溫狀態下，考慮到需要對電路板的實時溫度進行檢測，在設計中加入了實時的溫度檢測模塊。在芯片選型和設計電路時，都需要考慮到高溫條件。這給設計帶來挑戰。因此，從電源到高速ADC，整個系統都選用了能夠承受高溫的芯片。

2 電路設計

2.1 芯片選型

由于本電路需要在高溫的環境下運行，選擇芯片時要考慮其工作溫度范圍。例如，ADC芯片、FPGA芯片、通信芯片、電源芯片都選擇了適用于高溫的型號。

2.1.1 ADC芯片選型

市場上能夠同時滿足高溫、高速條件的ADC芯片很少。查找相關資料后，有兩款芯片大致滿足電路設計需求，分別是ADS5500-EP和AD7981。

ADC芯片基本特性如表1所示。

表1 ADC芯片基本特性 Tab.1 Basic characteristics of ADC chip

AD7981是 Analog Devices 公司生產的高溫單通道模數轉換芯片。FLATPACK封裝版最高工作溫度可達到210 ℃，但工作速度達不到要求。ADS5500-EP是Texas instruments公司生產的一款軍用增強型14位125 MS/s、單通道、低功耗的高速ADC芯片。在高溫特性上，這款芯片可以在150 ℃的情況下連續工作10 500 h；在轉換速度上，這款芯片可以達到125 MS/s的轉換速度，高于項目的設計要求100 MS/s的轉換速度，因此符合這次設計需求。在溫度監測部分，第一版使用的是AD7298，在高溫測試過程中出現不能工作的現象，故更換為ADS1234-HT數模轉換芯片。該芯片采用陶瓷封裝，在155 ℃的環境溫度下依然可以正常工作。

2.1.2 FPGA芯片選型

在FPGA的芯片選擇上，第一版設計使用ALTERA公司生產的MAX10系列的芯片。但是在隨后的高溫試驗中，當烤箱溫度超過120 ℃時，數字多道電路系統遇到了死機情況，在數字多道電路板上的溫度檢測模塊反映出來的芯片溫度高出環境溫度近50 ℃，并且多次測試的結果都相同。經過多次分析試驗數據，發現FPGA供電端的電流在試驗溫度達到100 ℃的時候開始不規律增長。當試驗溫度超過130 ℃時，FPGA電流過大，導致產熱量過高，FPGA死機。因此，在選擇新的FPGA芯片時，不僅需要考慮芯片的耐高溫程度，還需要考慮FPGA芯片的自身功耗問題。在對比了多款FPGA芯片后，選擇了ACTEL公司生產的A3P1000型FPGA。這款芯片在典型應用條件下電流僅為8 mA，比同類產品低一個數量級，并且在成本、性能、安全性上都有較好的表現。隨后的測試也表明，其可以在155 ℃的溫度下正常工作。

FPGA芯片基本特性如表2所示。

表2 FPGA芯片基本特性 Tab.2 Basic characteristics of FPGA chip

2.2 核心電路設計

核心電路主要由數模轉換電路、FPGA外圍電路、通信電路、溫度檢測電路組成。

2.2.1 模數轉換電路

模數轉換電路的信號輸入端使用差分輸入，減小了共模信號干擾，提高了輸入信號的精度。模數轉換電路主要用于對采集的模擬量數據進行快速、高精度的采樣編碼，將脈沖幅值轉換為FPGA可以處理的數字量。電路增加匹配電阻可以降低信號邊沿的陡峭程度，減少干擾。

2.2.2 FPGA外圍電路

FPGA是數字化信號處理的核心，用于實現數字化脈沖成形、觸發和幅度分析等算法[12]。ADC通過并行接口與FPGA的I/O連接。FPGA為ADC提供采樣時鐘。在FPGA的周圍設計了四個狀態指示燈，用于在測試時觀察多道電路板的狀態。

2.2.3 溫度檢測電路

在溫度檢測部分，試驗環境中的烤箱溫度和數字多道電路板的溫度存在一定差異，并且在實際井下測量時也需要對儀器溫度進行實時監測。因此，設計了一個以AD590溫度傳感器為主的溫度檢測模塊，用于檢測數字多道電路板的溫度。AD590溫度傳感器采集的溫度信息是模擬量，所以加入了ADS1234-HT模數轉換芯片。這款芯片采用陶瓷封裝，可以在-55～+210 ℃的溫度范圍內正常工作。在實際的測試中，從溫度傳感器上傳出的溫度要高于烤箱溫度接近2 ℃。因此在進行實際測試的時候，環境溫度和數字多道板上的溫度仍存在一定的差距。

溫度檢測電路如圖2所示。

圖2 溫度檢測電路 Fig.2 Temperature detection circuit

2.2.4 通信電路

數字多道板使用CAN總線，向上位機發送經過處理的脈沖信號。CAN接口電路如圖3所示。

圖3 CAN接口電路 Fig.3 CAN interface circuit

通信部分由SN65HVD233SJD型號的CAN接口芯片和ISO7221MD型號的數字隔離器芯片組成。CAN接口芯片采用陶瓷封裝，可以在-55～+210 ℃的溫度范圍內正常工作。

采用CAN通信的原因是：CAN通信具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點；最重要的是，其采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作。

3 信號處理

LaBr3探測器輸出的核脈沖信號包含了輻射的能量信息。多道系統通過提取并統計核脈沖信號的幅度，生成能譜曲線。

信號處理步驟如圖4所示。

圖4 信號處理步驟示意圖 Fig.4 Signal processing step

系統首先對采集到的原始核脈沖信號進行高速ADC采樣，得到數字核脈沖信號，然后傳輸到FPGA中作數字信號處理。在高計數率的情況下，對于堆積脈沖的甄別也會下降。

本文采用尖頂成型算法，可以接收到粒子擊中事件的時間信息，并測量相鄰脈沖的時間間隔，以判斷堆積，從而改善計數率的準確性。

尖頂成型脈沖響應曲線如圖5所示。

圖5 尖頂成型脈沖響應曲線 Fig.5 Impulse response curve of cusp forming

尖頂成型分為以下三個區域：

①RT區域表示指數增長；

②FT區域表示頂部；

③DT區域表示指數衰減。

在數字域中，每個區域的持續時間由數字樣本的相應數量表示。

在實際的高速硬件系統中，指數運算的實現具有難度。對此，本文使用線性插值來化簡指數運算。

r(n)=x(n)+ar(n-L)-akx(n-k)

(1)

(2)

q(n)=q(n-1)+[r(n)-r(n-L-1)]-[p(n-1)-p(n-L-1)]

(3)

(4)

式中：x(n)為單位脈沖。

這是因為，浮點數有數據存儲位寬限制，很小的數和很大的數計算，不僅會使結果偏差過大，還會加大運算的復雜性。式(1)為指數增長部分，式(2)為指數衰減部分，式(3)為頂部，式(4)為式(1)～式(3)相加得到的結果[13]。

利用Matlab軟件進行信號仿真，將負指數信號展開,得到的脈沖信號展開如圖6所示。再用式(4)將脈沖信號合成為尖頂信號，信號處理前后對比封閉圖如圖7所示。信號處理前后幅值一致，有效減少了計數率損失的情況。

圖6 信號展開示意圖 Fig.6 Schematic diagram of signal expansion

圖7 信號處理前后對比圖 Fig.7 Comparison before and after signal processing

4 系統高溫測試

數字多道高溫測試使用了溴化瀾探測器測量放射源Cs-137，在環境溫度超過100 ℃時進行記錄，每隔10 ℃記錄一次數字多道板發送的頻譜和原始脈沖。高溫環境由烤箱提供。

試驗記錄多道電路板上傳到上位機的譜數據和FPGA的工作溫度、功率。試驗設備有：負高壓電源、數字多道板供電電源、計算機、溴化瀾探測器、數字多道電路板、高溫烤箱。

當試驗溫度達到155 ℃時，采集Cs-137的能譜圖如圖8所示。

圖8 155 ℃時采集Cs-137的能譜圖 Fig.8 Energy spectrum of Cs-137 collected at 155 ℃

FPGA環境溫度曲線如圖9所示。

圖9 FPGA環境溫度曲線 Fig.9 Enviroment temperature curve of FPGA

經過六次對數字多道系統的高溫試驗，分析所記錄的數據，可以得出以下結論。

①數字多道電路板在高溫環境中工作時，高溫影響不僅來自環境溫度，而且還有芯片自身的功耗產生的熱量。由圖6可以看出，隨著烤箱的溫度不斷上升，FPGA的功率在不斷上升。因此，在FPGA芯片選型時，不僅要注意芯片的性能，還要考慮芯片自身的功耗問題。

②普通的常溫電源芯片已不能滿足高溫條件下正常工作的要求。根據試驗結果可知，在烤箱溫度達到120 ℃時，普通的電源芯片就開始供電不穩；當烤箱溫度達到152 ℃時，電源芯片停止工作。經重復試驗，結果還是烤箱溫度達到152 ℃時，電源芯片停止工作。其原因是芯片帶有過溫保護功能，超過152 ℃會自動關閉。

將芯片更換為Texas instruments公司生產TPS76901-HT。這款芯片可以在溫度范圍(-55 ～+210 ℃)內正常工作。

試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據 Tab.3 Experimental data

5 結論

本文通過芯片選擇、電路設計和高溫試驗驗證，設計了在能夠155 ℃高溫環境下正常工作的數字多道分析電路。

經過試驗測試，在軟件方面，尖頂成型算法相比其他成型方法，有效改善了計數率丟失的問題，提高了系統的能量分辨率。在硬件方面，隨著環境溫度的升高，數字多道電路板的FPGA芯片功耗也在升高。

導致電路停止工作的原因不僅是環境的高溫，還有自身功耗上升產生的熱量。所以在芯片選型和電路設計時，首要考慮的因素就是芯片的功耗。