一种新的GR/NGR信号处理方法

童然

（杭州瑞利声电技术公司，杭州，310023）

现有的单芯直流供电水泥胶结综合测井仪中，GR/NGR(自然伽马/中子伽马)信号处理电路，一般是通过电平检测、整形、放大、加法运算等步骤进行处理，将GR/NGR与CBL/VDL(声幅/变密度)信号叠加在一起后经长电缆上传至地面系统，电路相对比较复杂，并且在一个周期中只统计部分时间段的GR/NGR的数值，造成GR信号起伏较大，与裸眼井GR曲线对比，重合较差。尤其是小井眼仪器，由于GR晶体本身尺寸的限制，其原始统计起伏就较大，如果按原有 GR/NGR信号处理电路进行处理，误差会被进一步放大。本文采用一种新的GR/NGR信号处理方法，简化了原电路，同时减少GR/NGR信号在电路处理中造成的误差。

1 总体设计

电路设计为电平检测、信号处理、信号叠加三部分，电路框图见图 1。电平检测电路用来检测GR/NGR信号，将GR/NGR信号与干扰信号进行分离，整形后送入CPLD芯片中进行处理。信号处理部分，是将送入CPLD芯片的信号，进行计数运算，按一定的协议从引脚输出，保持了GR/NGR计数的完整性。信号叠加部分，将CPLD引脚输出GR/NGR信号与同步信号、CBL/VDL信号等信号一起，通过一个运放，叠加在一个通道上。

图1 总体设计电路框图

2 电平检测部分电路

电平检测电路，是以一个或两个比较器为主体(单个GR信号，则只用一个，GR/NGR混合信号则用两个)，辅以外围电路，形成一个信号鉴别电路，用电平比较的方式，将干扰信号排除，将有效GR/NGR信号经处理后送至CPLD芯片中。原理图见图2(按输入GR/NGR混合信号设计)。

图2 电平检测电路原理图

3 信号处理电路

在原有的GR/NGR信号处理电路中，信号记录周期一般为64 ms，但由于GR/NGR信号与声波信号共用一个通道，信号传输时只能分时上传，所以，实际只能采集56 ms的GR/NGR信号，其中有8 ms信号缺失，从而导致GR/NGR实际检测到的信号统计起伏变大。而这种新的GR/NGR信号处理电路，将经过电平检测的GR/NGR信号送入CPLD，通过芯片内部的计数处理，存储在寄存器中，并在将64 ms内检测的GR/NGR信号送入到56 ms的时间范围内输出，保证GR/NGR信号不缺失。

信号处理电路以CPLD为CPU，对输入CPLD的脉冲信号 POSCNTS(NGR经处理后的信号)和NEGCNTS(GR经处理后的信号)进行计数，并存放到寄存器中，并在下一个计数周期前将GR/NGR信号分别从 CPLD的两个端口输出(MINUS6和PLUS6)，信号按设计规定等间隔输出，正负GR、NGR信号输出时间错开，避免在信号叠加时相互抵消。原理图如图3所示。GR信号输出程序如下[1]：

4 信号叠加电路原理

信号叠加电路是将 CPLD输出的 MINUS6、MINUS12V、PLUS6、PLUS12V和另外一路SONIC信号在一个运放 N2上进行叠加。其中，MINUS6和PLUS6分别代表 GR和NGR，MINUS12V和PLUS12V是同步标记信号，SONIC则为声波信号。信号MINUS6、MINUS12V和SONIC信号从运放N2的负端输入，而信号PLUS6和PLUS12V从运放的N2的正端输入。由于CPLD输出信号都为正信号，所以，从N2负端输入的MINUS6、MINUS12V将反向为负信号，而PLUS6和PLUS12V仍旧为正信号。因此，MINUS6和PLUS6正好代表了GR和NGR的信号输出，而MINUS12V和PLUS12V则形成了同步标记的先负后正或者先正后负的信号。以上三种信号又和输入的 SONIC信号一起叠加，在一个通道上传。电路中的电阻R4与电阻R3、R5一起，起到信号放大作用，其中R4与R5组成的放大倍数是R4/R5倍，而R4与R3组成的放大倍数是R4/R3+1倍。原理图如图3。

图3 信号叠加电路原理图

5 数据比较

检测输出 GR信号，统计计数。使用原信号处理方法，得计数见表1；使用新的信号处理方法后测得GR计数见表2。表格中，“电压”是给GR探头提供的高压值；“GR计数”是每10 s测得的GR计数；平均值=(计数 1+计数 2+……+计数 10)/10；百分比=(计数1～ 计数10中与平均值最大的差值的绝对值)/平均值×100%。由表1、表2中的百分比的比较中，我们可以看到，使用了新的信号处理方法后的GR/NGR信号处理电路，明显比原电路统计起伏要小很多，也说明新的信号处理方法确实减小了GR统计误差，降低了其统计起伏，提高了测量精度。

表1 原信号处理方法测量数据

表2 新方法测量数据

5 结语

新的GR/NGR信号处理方法，在工作周期内采集了GR探头和NGR探头检测到的信号，并按照系统协议要求，在规定时间段将信号计数正确无误地送到地面系统，避免了信号的缺失，降低了GR/NGR信号计数的统计起伏，保证了测井的准确性。这种新的信号处理电路，充分发挥了CPLD在电路中的核心作用，对进入CPLD的有用信号进行计数，并按时序逻辑的设计要求，将GR/NGR信号从CPLD的引脚输出，在后续电路中与其它信号进行叠加输出。该电路可以调整GR/NGR信号宽度、间隔适应地面系统需要，同时，也简化调试维修人员的操作。

[1]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M]. 2版. 北京: 航空航天大学出版社, 2008.