基于FPGA的伽瑪信號(hào)峰值檢測(cè)方法

摘要：在石油測(cè)井行業(yè)中伽瑪能譜的測(cè)量是一種很重要的測(cè)井方式，本文結(jié)合脈沖中子能譜測(cè)量，對(duì)伽瑪脈沖峰值檢測(cè)做了研究，利用微分、延時(shí)電路及FPGA器件，能很好地檢測(cè)到伽瑪信號(hào)的峰值，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，峰值檢測(cè)的線性度基本滿足能譜測(cè)量的需求。

0 引言

石油作為一種戰(zhàn)略資源，越來越受到世界各國(guó)的重視;但石油又是一種不可再生的能源，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)石油的需求量也越來越大。因此為了科學(xué)合理地開采有限的石油資源，人們發(fā)明各種各樣的測(cè)井方法，其中非彈、俘獲及活化等能譜測(cè)量已成為測(cè)井的一個(gè)重要分支，這些參數(shù)能反映油田剩余油和殘余油飽和度等指標(biāo)，要想得到好的能譜，首先必須要有好的峰值檢測(cè)及保持電路，本文主要針對(duì)能譜數(shù)據(jù)測(cè)量過程中的峰值檢測(cè)及保持部分作了分析，利用微分及延時(shí)電路和Verilog語言實(shí)現(xiàn)了伽瑪信號(hào)的峰值檢測(cè)和保持，為能譜采集提供了—個(gè)好的解決方案。

1 伽瑪信號(hào)的獲取

任何信號(hào)的獲取都是要經(jīng)過傳感器的，伽瑪信號(hào)的傳感器我們稱之為伽瑪信號(hào)探測(cè)器，主要是由閃爍體、光電倍增管及高壓電源組成，目前常用的閃爍體有溴化鑭、BGO和碘化鈉等，文中選取碘化鈉晶體與光電倍增管及高壓電源組成的探測(cè)器來獲取伽瑪信號(hào)。

如圖1，當(dāng)伽瑪射線打到閃爍體上，閃爍體會(huì)產(chǎn)生光子，這些光子通過光導(dǎo)介質(zhì)送達(dá)光電倍增管處，在高壓電源的作用下，光電信號(hào)在一步一步增強(qiáng)，最終形成如圖1的A處的一個(gè)負(fù)的伽瑪電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過前放電路調(diào)整成我們需要的脈寬和幅度信號(hào)后即可進(jìn)行峰值檢測(cè)的處理。

2 伽瑪信號(hào)的調(diào)理

得到了負(fù)伽瑪信號(hào)的后，首先我們要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，得到我們想要的脈寬和幅度信號(hào)，如圖2，首先經(jīng)過反向放大器，在反向放大的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小幅度的積分處理，把信號(hào)脈寬展寬至1.5μs左右。對(duì)于信號(hào)放大的幅度則是由我們要測(cè)量的能量及ADC器件的輸入范圍決定的。文中測(cè)量的伽瑪射線的能量是0.8 MeV～10 MeV，ADC輸入為0～8 V，因此可以將整個(gè)測(cè)量的能量區(qū)域轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，即為0.64 V～8 V，要做到精確地調(diào)整放大倍數(shù)要用銫源來標(biāo)定，這不是文中重點(diǎn)，這里就不做過多介紹了。當(dāng)信號(hào)放大倍數(shù)調(diào)整完成后，由于信號(hào)的堆積或是運(yùn)放參數(shù)的不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)偏離基線的現(xiàn)象，因此我們電路采用了有源的雙二極管基線恢復(fù)方法，使得信號(hào)的起始位置總在零電平的位置，為測(cè)能譜數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

3 峰值檢測(cè)及采樣保持電路

峰值檢測(cè)電路的電路圖如圖3，其中HOLD是保持信號(hào)，GR是前放電路放大后的伽瑪信號(hào)，Threshold用于設(shè)定檢測(cè)信號(hào)的最小值，也就是大于該門檻電壓的伽瑪信號(hào)才會(huì)被檢測(cè)峰值，否則不予檢測(cè)，該值可以同DA給出，或是接到某固定的電平上，ReHold是峰值檢測(cè)后的峰值保持值，DePeak是峰值檢測(cè)信號(hào)，其后沿就是檢測(cè)到的峰值，DeSig是伽瑪信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)。

從GR處接入伽瑪信號(hào)，經(jīng)過跟隨器U1A分成三路信號(hào)，如圖3中所標(biāo)注的1、2、3，首先看信號(hào)1，該信號(hào)經(jīng)過電阻R12進(jìn)入了比較器U5A，與給定門檻電壓進(jìn)行比較，從而輸出伽瑪檢測(cè)信號(hào)DeSig，其次信號(hào)2經(jīng)過U3A進(jìn)行了微分處理，然后經(jīng)過U4A的過零檢測(cè)，會(huì)檢測(cè)到大于門檻電壓Threshold的伽瑪信號(hào)的峰值位置，如DePeak處所示，上升沿即是檢測(cè)到的峰值位置，這里的過零檢測(cè)是指廣義過零檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)的電壓是-130 mV和-150 mV的雙門檻檢測(cè)，主要為了防止檢測(cè)位置的抖動(dòng)。

4 FPGA的配合時(shí)序

FPGA器件是一種可編程邏輯器件，具有集成度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、開發(fā)費(fèi)用低、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。通過對(duì)前面得到了伽瑪檢測(cè)信號(hào)DeSig和伽瑪峰值檢測(cè)信號(hào)DePeak的處理，用FPGA給出保持信號(hào)HOLD，當(dāng)HOLD信號(hào)到來時(shí)，MOS管Q2打開，這使得Q1關(guān)閉，從而保持電容C4上一直保持了伽瑪信號(hào)的峰值，如圖3中ReHold處所示。由于信號(hào)都是微秒級(jí)信號(hào)，HOLD信號(hào)必須在DePeak信號(hào)的上升沿實(shí)時(shí)的給出，不然就無法保持到峰值位置，因此實(shí)時(shí)的HOLD信號(hào)生成是必須解決的問題。時(shí)序框圖如圖4，其中SigRflag為DeSig上升沿標(biāo)志位，SigFflag為DeSig下降沿標(biāo)志位，PeakFflag為DePeak下降沿標(biāo)志位，PeakRflag為DePeak上升沿標(biāo)志位。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用信號(hào)源產(chǎn)生一脈寬為1.5μs的伽瑪信號(hào)，其幅度從0.6 V～8 V，每隔0.1 V測(cè)試一個(gè)保持?jǐn)?shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖5，其中Vr是信號(hào)源設(shè)定伽瑪信號(hào)幅度，Vh是峰值檢測(cè)電路保持后信號(hào)幅度，由該圖明顯看出該峰值檢測(cè)電路的線性度較好，能滿足能譜測(cè)量的需求。

6 結(jié)論

本文針對(duì)伽瑪能譜的測(cè)量設(shè)計(jì)了一種峰值檢測(cè)電路，該電路配合FPGA電路模塊，能有效的得到伽瑪信號(hào)的峰值，且具有很好的線性度，滿足能譜測(cè)量的需求。