随着资源的短缺，矿产勘探的方向正在向地层深部转移。在深部矿产勘探中，由于测井井眼较小，国内急需研制直径小、可靠性强的小井眼自然伽马能谱测井仪。基于自然伽马能谱测井理论，结合信号处理与电子技术，本文设计完成了一套适合60mm井眼的自然伽马能谱测井测量系统。　　本文首先介绍了自然伽马能谱测井的理论基础，然后在MATLAB平台对来自光电倍增管的信号进行了分析，进而明确了设计的性能指标，最终确定了整个测量系统模拟电路设计、数字电路设计和电源部分的设计方案。　　其中，模拟电路包括信号调理电路和能谱控制电路。信号调理电路由极零相消电路，积分滤波放大电路，基线恢复电路，极性反转电路，峰值检测与保持电路组成。信号调理电路将信号放大整形为类高斯型脉冲，实现对信号峰值的检测。同时设计能谱控制电路避免温度引起的谱漂。数字电路包括A/D转换电路，幅度分析电路以及通讯接口。峰值信号经A/D转换后进入FPGA进行幅度分析，然后在FPGA中采用乒乓RAM的思想进行能谱存储。通讯部分包括FPGA与单片机之间的UART通讯，单片机与上位机之间的CAN通讯。电源部分包括为测量系统提供±12V和5V电压，以及测量系统内部电源转换等。最终上位机可以收到道址与计数率的自然伽马能谱，实现了自然伽马能谱测量系统。　　本设计采用FPGA+单片机的构架，实现数据采集电路的高度集成，减小了仪器直径，实现了项目中对小直径自然伽马能谱测井仪的技术指标。