一种可自检的自然伽马能谱信号模拟器的设计

2015-03-27长江大学祁红学

电子世界 2015年21期

长江大学刘洋祁红学

钍（Th）、铀（U）、钾（K）三种元素的含量占地层中放射性元素总量的99%以上[1]。不同岩性中放射性元素的含量不同，种类也有所差异[2]。自然伽玛测井原理就是利用伽玛射线探测器测量地层中总的自然伽玛射线强度，用以划分地层岩性及渗透层[3]。而在伽马仪器开发过程中，存在闪烁计数器的成本高，仪器的开发周期长等系列问题，本文提出了一种可自检的自然伽马能谱信号模拟器的设计，提供一种可模拟、可检测、可显示的完整自然伽玛能谱信号源系统。

1 系统框架

本系统由自然伽马能谱信号发生电路、自然伽马能谱自检测电路、上位机控制程序三部分组成。将上位机生成的随机数表存储在FPGA的RAM中，FPGA控制12位DAC输出随机脉冲，实现模拟自然伽马能谱信号的输出。通过上位机设置输出4通路PWM信号，低通滤波后作为高速能窗比较器的门槛电压，将不同能窗的计数脉冲输入至4通道16位计数器，得到的计数值上传至PC机。PC机控制程序用于更新离散随机脉冲数表、设置高速能窗比较器的门槛电压、处理自检测数据。可实时更新自然伽马能谱信号模拟器的输出并完成自检功能，其系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 自然伽马能谱信号发生电路

本设计作为自然伽马能谱仪器调试的信号源，所以输出信号对应的能谱已知。存储在RAM中的随机脉冲序列呈周期性输出，为了使自然伽马能谱信号模拟器更具有一般性，通过PC机随机生成随机脉冲幅值和随机脉冲时间间隔，模拟器中RAM的数据可实时更新。自然伽马能谱信号模拟器包括离散随机脉冲序列的生成电路、FPGA的离散随机脉冲数表的输出控制电路、DAC的脉冲信号输出电路。

2.1 离散随机脉冲序列的生成

在自然伽马能谱检测中，由光电倍增管输出的自然伽马脉冲信号具有以下特征：伽马脉冲信号的幅值随机、伽马脉冲信号的间隔随机、伽马脉冲信号为负脉冲信号。前两点特征取决于离散随机脉冲序列，离散随机脉冲序列通过程序实现。

（1）上位机程序调用随机函数产生200个随机脉冲幅值、200个随机脉冲时间间隔，分别包含了离散随机脉冲序列的幅值特征和时间特征，其程序流程图如图2(a)所示。

（2）离散随机脉冲序列的随机幅值和随机时间间隔传输至FPGA，FPGA实时将接收的特征数据存储在RAM对应的地址。

（3）FPGA以固定频率将随机幅值和随机时间间隔转换为离散随机脉冲序列，FPGA状态转换图如图2(b)所示。

图2 离散随机脉冲数表的程序设计

2.2 FPGA控制DAC输出模拟信号

自然伽马脉冲信号通过甄别电路，测量脉冲计数率，其计数率与自然伽马能谱相对应。因此自然伽马脉冲信号模拟器对时间的控制精度要求较高，即采用FPGA作为DAC的时序控制电路。结合DAC的特征参数，设定DAC的参考电压，一个周期输出的离散随机脉冲序列点数为8000个，TLV5618的数据输出率为，输出一个序列的周期为。

TLV5618为SPI总线的串行输出D/A转换器，为单极性电压输出型，即TLV5618的SPI接口引脚与FPGA的SPI接口相连，通过反相电路输出负脉冲信号，示波器中观测的自然伽马脉冲模拟器输出信号如图3所示，其中通道1为TLV5618输出的正脉冲信号，通道2为反相电路输出的负脉冲信号。

图3 自然伽马脉冲模拟器输出信号

3 自然伽马能谱自检测电路

为保证自然伽马能谱信号模拟器性能稳定，为自然伽马能谱测(录)井仪器的甄别电路调试提供可靠的信号源。自检功能的设计由PC机设置四路甄别电路的门槛电压，实现对自然伽马能谱模拟信号的甄别，将甄别后的计数脉冲由FPGA计数后上传至PC端，实时处理并显示，保证了信号源设计的可靠性。

自检功能设置了5个能谱窗口的比较，因此通过PC机可设置4个门槛电压值。由FPGA输出与门槛电压对应的PWM信号，通过低通滤波输出4路门槛电压，甄别自然伽马能谱模拟信号产生4通道计数脉冲，由FPGA内部的4通道16位计数器计数，并将计数值每1S上传至PC界面显示。

模拟信号的门槛甄别电路的设计如图4所示，需要将负脉冲信号叠加耦合+5V的直流信号，转换为正脉冲信号，通过具有一定门限值的滞回比较器，输出与门槛电压一一对应的计数脉冲，如图5所示，通道2、通道3、通道4分别是门槛电压设置为1.6V，2.7V，3.5V时所对应的计数脉冲，由图5可知设置的门槛电压越大，输出的脉冲计数率越大，但二者相互对应。

图4 自然伽马能谱自检测电路

图5 不同门槛电压对应的计数脉冲

4 上位机

为了完善自然伽马能谱信号模拟器的自检功能，设计了上位机程序，可实现离散随机脉冲序列更新和门槛电压的实时设置，并且将自检参数实时显示在PC端，如图6所示。

图6 上位机界面

为实现离散随机脉冲序列的实时更新，通过调用随机函数生成具有幅值特征和时间特征的随机数表，为了减小数据传输量，提高数据传输准确性，没有在上位机程序中将幅值特征和时间特征的随机数表转换为离散随机脉冲序列，而是用FPGA通过状态机将数据交替输出，实现对离散随机脉冲序列的转换。

自检参数的实时显示，因为FPGA固定输出离散随机脉冲序列一个周期T=1S，而对FPGA脉冲计数器的检测周期也设置为1S，数据实时上传也为1S，在上位机对自检参数显示时，可设置测量的显示周期，如设置为5个检测周期，即显示的测量数据为最新5次的测量结果，并将测量数据误差分析，保证模拟器的信号输出稳定准确。