多通道高精度時間-數字轉換器的研制

李清江,徐 欣,孫兆林,李 楠,李耀立,周 振2,

(1.國防科技大學,湖南長沙 410073;2.上海大學環境與化學工程學院,環境污染與健康研究所,上海 200072;3.廣州禾信分析儀器有限公司,廣東廣州 510663)

精密的時間測量在科學儀器,原子核和粒子物理研究,深空通訊,激光測距和物質成分檢測等領域均有著廣泛的應用。飛行時間質譜儀(time-of-flight mass spectrometer,TOF-MS)作為快速、高精度、高靈敏度的分析儀器,是通過測量待測離子飛過一定距離所需要的時間來區分不同離子的質荷比(m/z),進而鑒別離子成分。TOF-MS快速、高精度、高靈敏度的特點決定其必須具有高時間分辨率和高靈敏度數據采集及處理設備,目前最常用的有高速模擬數字轉換器(analog-to-digital converter,ADC)和高精度時間數字轉換器(time-to-digital converter,TDC)。其中TDC的原理是通過記錄一段時間內離子脈沖信號相對于觸發信號(start)的到達時間和數量,繼而判定粒子的種類及其含量。

我國對可用于飛行時間質譜儀且時間分辨率小于1 ns的高精度時間數字轉換器的研究還很少,目前僅有少數幾所大學從事相關研究工作。本實驗室根據 TDC的基本原理,結合長期從事高速數據采集的成功研發經驗,研制了一種通用性較強的多通道時間數字轉換器,其最小時間分辨率為403 ps,測量時間范圍為0～420 us,系統死時間＜13 ns,并在飛行時間質譜儀器中得到應用。

1 TDC總體結構與基本工作原理

TDC系統主要由前端信號調理模塊、高速串并轉換模塊、高速時鐘產生模塊、FPGA模塊、USB接口模塊等部分組成,示于圖1。信號調理模塊由數模轉換芯片MAX5525和高速比較器ADCMP567組成;高速串并轉換模塊主要由串并轉換芯片MAX3885組成;高速時鐘產生模塊由AD公司的時鐘產生芯片AD9517-1組成;數據處理及控制模塊由XILINX VIRTEX-4 SX35 FPGA及相關外圍電路組成;USB2.0傳輸及控制模塊由Cypress公司的CY7C68013及相關外圍電路組成。

圖1 TDC硬件結構圖Fig.1 H ardw are structure of TDC

TDC具有內,外觸發兩種工作模式。在內觸發工作模式下,由 TDC系統自身產生觸發信號,并由輸出通道產生電子引出脈沖信號,以引導質譜儀前端設備。同時,在內觸發工作模式下,通道1～4為完全相同的硬件輸入通道,用來獨立采集停止(stop)信號。而在外觸發工作模式下,通道4為專用外觸發采集通道,通道1～3為停止信號采集通道,輸出通道可以空置或作為其他相關設備的觸發信號。

以外觸發工作模式為例。觸發通道(通道4)采集外部觸發信號以作為轉換的時間起點,3個停止信號采集通道將NIM電平的串行脈沖信號進行信號調理后傳至串并轉換部分,并將其轉換為最高156.25 MHz的16位并行信號,以直接利用FPGA進行數據處理。FPGA通過“沿判斷原理”判斷各停止信號采集通道采集到的停止脈沖信號的數量以及相對于觸發信號為計時起點的到達時間,并將處理結果通過USB2.0接口傳至PC以進行質譜圖的繪制。由于串并轉換的最高時鐘頻率為2.5 GHz,即可達到400 ps的時間分辨率。針對不同的應用背景,本 TDC串并轉換的時鐘頻率可調,調節范圍為 500 MHz～2.5 GHz,即時間分辨率在400 ps～2 ns可調。

2 系統關鍵模塊設計與實現

2.1 前端信號調理模塊

在飛行時間質譜儀器中,離子探測器輸出信號一般為NIM信號,幅值在0～-800 mV范圍內。該信號首先需經過幅度甄別,邏輯符合,延時等處理。為了能直接與這類前續NIM邏輯功能插件相連[1],同時也為了提高系統的通用性,TDC輸入通道設計允許的動態范圍為-2.425～+2.425 V。考慮到串并轉換電路要求輸入信號為PECL電平及板上高速信號傳輸過程中的抗噪問題,設計中采用高速比較器ADCMP567將輸入信號轉換為LVPECL電平信號。由于輸入信號幅度的動態范圍較大,設計中采用數模轉換器MAX5525來產生比較器的門限電壓,而具體的門限值可由 FPGA解析 PC端,通過USB2.0發送的命令來設定。門限調節范圍為 -2.425～ +2.425 V,調節步進為 2 mV。輸入通道信號調理框圖示于圖2。

圖2 信號調理模塊結構圖Fig.2 Structure of signal conditioning module

高速比較器 ADCMP567的傳輸延時為250 ps,但由于比較器對start和 stop信號的傳輸延時基本一致,而 TDC測量的是二者的差值,故ADCMP567的器件傳輸延時對 TDC測量結果的影響可以忽略。

TDC在內觸發工作模式下由輸出通道發出電子引導脈沖,以提高輸出通道的隔離和驅動負載能力。輸出通道信號調理電路由3態緩沖器SN74LVC125構成,這里不再贅述。

2.2 高速串并轉換模塊

在氣體檢測的應用中,TDC輸入信號的最小時間間隔為400 ps,即信號頻率最高為2.5 GHz,遠遠超出了FPGA處理數據能力。為此,設計中將最高頻率2.5 GHz的串行脈沖輸入信號經高速串并轉換為16位的并行信號,這樣數據的最高頻率就降為156.25 MHz,從而可以直接利用FPGA進行脈沖數量和到達時間等相關數據處理,提高了 TDC的功能靈活性。

高速串并轉換模塊由串并轉換芯片MAX3885及外圍電路構成。MAX3885是一款1∶16串并轉換芯片,單3.3 V供電。芯片接收PECL電平標準的差分串行輸入數據和時鐘,輸出LVDS電平標準的差分16位并行數據和同步時鐘。

2.3 高速時鐘產生模塊

為保證 TDC測量脈沖時間間隔的精度,高速串并轉換模塊需要一個高時間穩定度、最高頻率為2.5 GHz的轉換時鐘。為此,TDC選用集成鎖相環芯片 AD9517-1來產生時鐘信號。AD9517-1是一個集成PLL頻率合成器與時鐘分配器,單片AD9517-1即可為4個輸入通道分別提供獨立的轉換時鐘,時鐘穩定度＜20×10-6。在 TDC中,AD9517-1的輸出頻率調節范圍為500 MHz～2.5 GHz,即 TDC時間分辨率在400 ps～2 ns可調。

2.4 USB2.0模塊

為了降低 TDC對 PC硬件配置的要求和TDC本身的便攜性,設計中采用USB2.0接口來實現 TDC與PC間的數據傳輸。在氣體檢測的應用中,飛行時間質譜儀器中的離子飛行時間較短,每秒采樣的數據量較少(為幾十kHz),而利用集成USB2.0控制芯片CY7C68013可實現最高為48 Mbyte/s的數據傳輸速度,故可以滿足傳輸速度的要求。

3 基于FPGA的TDC數據處理

飛行時間質譜儀的數據定義一般包括以下幾個參數:采樣長度,是指每個觸發周期內質荷比最大離子的飛行時間;脈沖頻率,是指每秒鐘對離子的檢測次數;脈標,是指每個觸發脈沖的編號;累加次數,是指得到一個完整質譜圖所用的觸發脈沖個數;測量時間,是指做一次完整檢測所需要的時間,一般由完整質譜圖的個數來定義;總測量時間,是脈沖頻率倒數、累加次數和質譜圖個數的乘積[2,10]。

用戶在PC端設定好采樣長度、累加次數、譜圖個數、時間分辨率、觸發電平等參數后,通過USB2.0向FPGA發送相應命令。在外觸發模式下,FPGA解析命令后等待 TDC觸發通道采集到外觸發信號以開始轉換。其中每一個掃描周期內的數據處理流程示于圖3。

圖3 數據處理流程圖Fig.3 Flowchart of data processing

脈沖信號經串并轉換后得到一連串的16位并行信號,其頻率最高為156.25 MHz。信號進入FPGA后,2個16位的移位寄存器進行邏輯運算,FPGA檢測寄存器中,前后兩位數據是否存在從0到1的跳變,若存在則可認為檢測到了輸入信號中的一個脈沖,將此16位并行信號存到數據寄存器regF中。此時 FPGA啟動相應邏輯,將脈標(掃描周期數)、時標(16位并行信號的順序)和數據寄存器regF中的數據存入FPGA的 FIFO中,并通過相關通信協議將FIFO中的數據經USB2.0傳送至PC進行后期數據處理。PC端通過對數據中脈標、時標和數據的解讀,即可恢復出脈沖信號相對于觸發信號的真實時間,時間分辨率最高為400 ps。

4 TDC性能測試

4.1 TDC時間分辨率測試

時間分辨率測試采用延遲線測量法,利用Tektronix雙通道任意波形發生器AFG3102來產生start和stop信號。start和stop信號的頻率同為100 kHz,兩者間延時為15 ns,以規避系統死時間。利用功分插件將stop信號分為相同的兩路,并利用長度不等的延遲線將兩路信號分別輸入通道1和通道2。

根據延遲線測量法的原理,通道1與通道2測量時間差值的統計標準差即為 TDC的時間分辨率?？紤]到統計標準差隨延長線的長度差有一定的漲落,故時間分辨率實際上取該統計標準差的最大值[3-8]。

根據上述時間分辨率的測試方法,本 TDC的時間分辨率測試結果列于表1。

表1 時間分辨率測試結果Table 1 Testing result of the time resolution

4.2 TDC線性度測試

測試采用數字脈沖/延時產生器DDG-200來產生延遲信號,并在時間分辨率為400 ps模式下進行測試,同時采用 Tektronix TDS210示波器進行參考測量。限于測試環境,測試時間間隔區間為30 ns～5 us,沒有進行時間間隔30 ns以下和5 us以上的測試,線性度測試結果列于表2。

表2 線形度測試結果Table 2 Testing result of linearity

在30 ns～5 us的測量范圍內,TDC測量值均比參考測量值小6.4～6.8 ns,經分析可知,這是由于FPGA相關邏輯在判斷觸發信號到達時間上存在延遲所致,這一偏差可在 PC數據處理時做相應的修正。從測量數據可以看出,本TDC測量結果的線性度較好,積分非線性＜0.03%[1,3,9]。

4.3 TDC質譜實驗

4.3.1 檢測環境 實驗中將本 TDC與廣州禾信分析儀器有限公司和上海大學所研發的 EITOFMS-1000相連[10],記錄真空背景氣體質譜圖,并與同等測試環境下用美國ORTEC公司TDC9353的測試結果做了相應的對比,示于圖4,其中ORTEC9353的時間分辨也被設置為400 ps。實驗儀器的離子源具體參數如下:真空背景氣壓8×10-6Pa,電子轟擊源發射電流170 μA,電子轟擊能量70 eV,溫度26 ℃,累加時間1 s。

圖4 EI-TOFMS-1000飛行時間質譜圖a.自制 TDC;b.ORTEC9353Fig.4 Mass spectra from EI-TOFMS-1000 taken by home-made TDC(a)and ORTEC9353(b)

4.3.2 測試結果分析 從圖4可以看出,兩張TDC卡所得的質譜圖相似,在8×10-6Pa真空中 ,檢測出的成分主要是 H2O、H2、O2、N2、CO2等?？傮w上,單位時間內自制 TDC所采到的峰高較ORTEC9353稍高,更詳細地可以通過計算峰面積的方法對4個主要質譜峰進行比較,結果列于表3。同時可以看出,高度差別最大的質譜峰是 H2O+及OH+,這主要是由于 TDC飽和,閥值電壓的微小差別及兩張卡采樣原理的差別造成。

表3 真空背景下目標化合物峰面積比較Table 3 Peak area of the target compound under vacuum background

5 結 論

根據飛行時間質譜儀器的應用背景,提出了一種基于高速串并轉換原理的多通道高精度時間-數字轉換器的設計方案,經實際制作與調試,本設計達到了預期的設計目標,時間測量范圍為0～420 us,實際測試最小時間分辨率為403 ps,線性度良好。目前,該 TDC已應用于廣州禾信分析儀器有限公司的飛行時間質譜儀器的相關實驗中,累計運行多于400 h,體現了較高的可靠性。今后的重點將針對檢測動態范圍,最小時間分辨率和靈敏度等主要參數進一步優化。

致謝:感謝上海大學黃正旭博士、高偉博士和廣州禾信分析儀器有限公司的粘惠青碩士在工作中給予的幫助。

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