伽马测井中高温高速数字多道的设计与研究

吕新龙，王 敏，廖光辉，万文杰，杨体波

(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059)

0 引言

在深部岩性和物性复杂地质探测领域，中子伽马测井是测井系列技术中为数不多的套管内测井技术[1]。由于测量过程中会出现高温、高压的环境，目前国内还没有可以在高温探测环境下正常工作的测井仪器。在高温试验中，普通的数字能谱测量系统在超过120 ℃的环境下便无法正常工作。

对此，需要设计一款能够在高温情况下正常工作的数字多道分析系统。该系统可以在155 ℃环境温度下，以100 MS/s采样速度正常工作，使国产造岩元素中子伽马测井仪器具备快速能谱采集、耐高温高压的能力，可识别元素数量不少于16种。该系统明显增加了求取的矿物种类，提高了矿产资源含量精度，使造岩元素测井仪器更为实用化。

传统能谱测量系统由探测器、前置放大器、主放大电路、脉冲甄别电路、峰值保持电路、模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)采样和微处理器组成。传统模拟多道通过成形电路、峰值保持电路后，采集峰值获得能谱[1]。此类模拟多道能谱仪主要采用模拟电路实现，因此开发周期较长、抗干扰能力较弱、受温度影响大、系统灵活性差。

随着计算机技术的高速发展，核信号处理技术得到了极大的发展和进步[2-5]。数字能谱测量系统随之出现。数字化谱仪系统对比模拟谱仪系统具有多方面的优势,是目前的发展方向[6]。该系统采用ADC进行脉冲采样，电路不存在死区时间；同时，采用高速现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)作为信号处理芯片，可以在控制ADC进行高速采集的过程中，同步实现数据缓存、脉冲滤波、脉冲成型、幅值分析、能谱计数等功能[7]。硬件计算能力的提高使得核信号处理方法也得到了提高[8-10]。使用滤波成型算法能够有效减小核脉冲信号中电子学噪声和弹道亏损等对能量分辨率的影响[11]。脉冲滤波成型方法主要有高斯成型、梯形成型、尖顶成型。数字能谱测量系统使用尖顶成型算法，有效地减少了核信号的白噪声和计数率的损失。

1 系统总体结构

本文研制了一款能够在高温高压下正常工作的数字多道电路板，通过多次芯片选型、电路改进和相应试验，使数字多道系统达到耐高温、高压的条件。

数字多道系统框图如图1所示。

图1 数字多道系统框图 Fig.1 Block diagram of digital multi-channel system

数字多道分析系统分为快速前置放大器部分、核信号处理存储部分、电源供电部分、电路板温度监测部分、通信部分，设计重点在于将核信号处理算法、CAN总线通信以IP核形式固化到FPGA内。在高温状态下，考虑到需要对电路板的实时温度进行检测，在设计中加入了实时的温度检测模块。在芯片选型和设计电路时，都需要考虑到高温条件。这给设计带来挑战。因此，从电源到高速ADC，整个系统都选用了能够承受高温的芯片。

2 电路设计

2.1 芯片选型

由于本电路需要在高温的环境下运行，选择芯片时要考虑其工作温度范围。例如，ADC芯片、FPGA芯片、通信芯片、电源芯片都选择了适用于高温的型号。

2.1.1 ADC芯片选型

市场上能够同时满足高温、高速条件的ADC芯片很少。查找相关资料后，有两款芯片大致满足电路设计需求，分别是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 公司生产的高温单通道模数转换芯片。FLATPACK封装版最高工作温度可达到210 ℃，但工作速度达不到要求。ADS5500-EP是Texas instruments公司生产的一款军用增强型14位125 MS/s、单通道、低功耗的高速ADC芯片。在高温特性上，这款芯片可以在150 ℃的情况下连续工作10 500 h；在转换速度上，这款芯片可以达到125 MS/s的转换速度，高于项目的设计要求100 MS/s的转换速度，因此符合这次设计需求。在温度监测部分，第一版使用的是AD7298，在高温测试过程中出现不能工作的现象，故更换为ADS1234-HT数模转换芯片。该芯片采用陶瓷封装，在155 ℃的环境温度下依然可以正常工作。

2.1.2 FPGA芯片选型

在FPGA的芯片选择上，第一版设计使用ALTERA公司生产的MAX10系列的芯片。但是在随后的高温试验中，当烤箱温度超过120 ℃时，数字多道电路系统遇到了死机情况，在数字多道电路板上的温度检测模块反映出来的芯片温度高出环境温度近50 ℃，并且多次测试的结果都相同。经过多次分析试验数据，发现FPGA供电端的电流在试验温度达到100 ℃的时候开始不规律增长。当试验温度超过130 ℃时，FPGA电流过大，导致产热量过高，FPGA死机。因此，在选择新的FPGA芯片时，不仅需要考虑芯片的耐高温程度，还需要考虑FPGA芯片的自身功耗问题。在对比了多款FPGA芯片后，选择了ACTEL公司生产的A3P1000型FPGA。这款芯片在典型应用条件下电流仅为8 mA，比同类产品低一个数量级，并且在成本、性能、安全性上都有较好的表现。随后的测试也表明，其可以在155 ℃的温度下正常工作。

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 核心电路设计

核心电路主要由数模转换电路、FPGA外围电路、通信电路、温度检测电路组成。

2.2.1 模数转换电路

模数转换电路的信号输入端使用差分输入，减小了共模信号干扰，提高了输入信号的精度。模数转换电路主要用于对采集的模拟量数据进行快速、高精度的采样编码，将脉冲幅值转换为FPGA可以处理的数字量。电路增加匹配电阻可以降低信号边沿的陡峭程度，减少干扰。

2.2.2 FPGA外围电路

FPGA是数字化信号处理的核心，用于实现数字化脉冲成形、触发和幅度分析等算法[12]。ADC通过并行接口与FPGA的I/O连接。FPGA为ADC提供采样时钟。在FPGA的周围设计了四个状态指示灯，用于在测试时观察多道电路板的状态。

2.2.3 温度检测电路

在温度检测部分，试验环境中的烤箱温度和数字多道电路板的温度存在一定差异，并且在实际井下测量时也需要对仪器温度进行实时监测。因此，设计了一个以AD590温度传感器为主的温度检测模块，用于检测数字多道电路板的温度。AD590温度传感器采集的温度信息是模拟量，所以加入了ADS1234-HT模数转换芯片。这款芯片采用陶瓷封装，可以在-55～+210 ℃的温度范围内正常工作。在实际的测试中，从温度传感器上传出的温度要高于烤箱温度接近2 ℃。因此在进行实际测试的时候，环境温度和数字多道板上的温度仍存在一定的差距。

温度检测电路如图2所示。

图2 温度检测电路 Fig.2 Temperature detection circuit

2.2.4 通信电路

数字多道板使用CAN总线，向上位机发送经过处理的脉冲信号。CAN接口电路如图3所示。

图3 CAN接口电路 Fig.3 CAN interface circuit

通信部分由SN65HVD233SJD型号的CAN接口芯片和ISO7221MD型号的数字隔离器芯片组成。CAN接口芯片采用陶瓷封装，可以在-55～+210 ℃的温度范围内正常工作。

采用CAN通信的原因是：CAN通信具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；最重要的是，其采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。

3 信号处理

LaBr3探测器输出的核脉冲信号包含了辐射的能量信息。多道系统通过提取并统计核脉冲信号的幅度，生成能谱曲线。

信号处理步骤如图4所示。

图4 信号处理步骤示意图 Fig.4 Signal processing step

系统首先对采集到的原始核脉冲信号进行高速ADC采样，得到数字核脉冲信号，然后传输到FPGA中作数字信号处理。在高计数率的情况下，对于堆积脉冲的甄别也会下降。

本文采用尖顶成型算法，可以接收到粒子击中事件的时间信息，并测量相邻脉冲的时间间隔，以判断堆积，从而改善计数率的准确性。

尖顶成型脉冲响应曲线如图5所示。

图5 尖顶成型脉冲响应曲线 Fig.5 Impulse response curve of cusp forming

尖顶成型分为以下三个区域：

①RT区域表示指数增长；

②FT区域表示顶部；

③DT区域表示指数衰减。

在数字域中，每个区域的持续时间由数字样本的相应数量表示。

在实际的高速硬件系统中，指数运算的实现具有难度。对此，本文使用线性插值来化简指数运算。

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)为单位脉冲。

这是因为，浮点数有数据存储位宽限制，很小的数和很大的数计算，不仅会使结果偏差过大，还会加大运算的复杂性。式(1)为指数增长部分，式(2)为指数衰减部分，式(3)为顶部，式(4)为式(1)～式(3)相加得到的结果[13]。

利用Matlab软件进行信号仿真，将负指数信号展开,得到的脉冲信号展开如图6所示。再用式(4)将脉冲信号合成为尖顶信号，信号处理前后对比封闭图如图7所示。信号处理前后幅值一致，有效减少了计数率损失的情况。

图6 信号展开示意图 Fig.6 Schematic diagram of signal expansion

图7 信号处理前后对比图 Fig.7 Comparison before and after signal processing

4 系统高温测试

数字多道高温测试使用了溴化澜探测器测量放射源Cs-137，在环境温度超过100 ℃时进行记录，每隔10 ℃记录一次数字多道板发送的频谱和原始脉冲。高温环境由烤箱提供。

试验记录多道电路板上传到上位机的谱数据和FPGA的工作温度、功率。试验设备有：负高压电源、数字多道板供电电源、计算机、溴化澜探测器、数字多道电路板、高温烤箱。

当试验温度达到155 ℃时，采集Cs-137的能谱图如图8所示。

图8 155 ℃时采集Cs-137的能谱图 Fig.8 Energy spectrum of Cs-137 collected at 155 ℃

FPGA环境温度曲线如图9所示。

图9 FPGA环境温度曲线 Fig.9 Enviroment temperature curve of FPGA

经过六次对数字多道系统的高温试验，分析所记录的数据，可以得出以下结论。

①数字多道电路板在高温环境中工作时，高温影响不仅来自环境温度，而且还有芯片自身的功耗产生的热量。由图6可以看出，随着烤箱的温度不断上升，FPGA的功率在不断上升。因此，在FPGA芯片选型时，不仅要注意芯片的性能，还要考虑芯片自身的功耗问题。

②普通的常温电源芯片已不能满足高温条件下正常工作的要求。根据试验结果可知，在烤箱温度达到120 ℃时，普通的电源芯片就开始供电不稳；当烤箱温度达到152 ℃时，电源芯片停止工作。经重复试验，结果还是烤箱温度达到152 ℃时，电源芯片停止工作。其原因是芯片带有过温保护功能，超过152 ℃会自动关闭。

将芯片更换为Texas instruments公司生产TPS76901-HT。这款芯片可以在温度范围(-55 ～+210 ℃)内正常工作。

试验数据如表3所示。

表3 试验数据 Tab.3 Experimental data

5 结论

本文通过芯片选择、电路设计和高温试验验证，设计了在能够155 ℃高温环境下正常工作的数字多道分析电路。

经过试验测试，在软件方面，尖顶成型算法相比其他成型方法，有效改善了计数率丢失的问题，提高了系统的能量分辨率。在硬件方面，随着环境温度的升高，数字多道电路板的FPGA芯片功耗也在升高。

导致电路停止工作的原因不仅是环境的高温，还有自身功耗上升产生的热量。所以在芯片选型和电路设计时，首要考虑的因素就是芯片的功耗。