TOF-SIMS納秒級脈沖發生器的設計

孫玉橋， 邱春玲， 楊 光， 李春生

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130021)

0 引 言

飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)作為一種重要的分析方法，具有檢測靈敏度高、分析速度快、樣品消耗少等優點。在TOF-SIMS儀器中，脈沖發生器(又稱同步機)為一次離子光學系統、激光后電離模塊、二次離子提取系統、飛行時間質量分析器、離子檢測器等提供精確的工作時序[1-2]，其延時精度需控制在ns時間范圍內，否則難以達到TOF-SIMS高質量分辨率的要求。脈沖發生器作為TOF-SIMS的關鍵測控部件之一，研制該部件對整機儀器國產化具有積極意義。

大范圍延時可調的脈沖發生器多采用FPGA加可編程延時芯片的設計方案[3-4]，利用FPGA內計數器實現大范圍數字延時，可編程延時芯片(如AD9501)完成短時間的模擬延時。可編程延時器件精度較高、使用方便，但難以實現小于200 ps抖動輸出。單獨采用FPGA也可實現脈沖延時功能，雖然輸出抖動低，但時間分辨率取決于FPGA內部時鐘周期，難以實現1 ns以下的延時分辨率。此外，FPGA加斜坡電路方案也被廣泛采用，其具有延時范圍廣、分辨率高的優點。斜坡電路內含恒流源[5]，但高精度的恒流源結構復雜。

本文采用FPGA加斜坡電路的方案[6-9]，對斜坡電路進行簡化——用高速三態門替代恒流源。相對于傳統斜坡電路和可編程延時器件，簡化后的電路延時輸出峰峰值抖動(peak-to-peak jitter)更低。抖動是影響TOF-SIMS分辨率的關鍵參數，更低的抖動有助于提升TOF-SIMS分辨率。簡化后的斜坡電路會引入微小的延時誤差，但延時誤差對TOF-SIMS分辨率無影響。此外，整個裝置運用了NIOS II軟核[10]，無需專門的單片機控制系統。

1 脈沖發生器原理

脈沖發生器由FPGA模塊、斜坡電路模塊、驅動模塊、RS-232通信模塊等組成[11-13]。A、B、C、D通道輸出延時皆相對于T0通道。A、B、C、D各個通道原理相同，每個通道都包含一個數字延時電路、斜坡電路、脈寬與極性電路和輸出驅動電路,其原理框圖如圖1所示。

圖1 電路設計原理框圖

100 MHz溫補晶振向FPGA提供周期為10 ns的穩定時鐘。NIOS II軟核通過串口與PC機通信，從PC機獲取每個通道的延時時間、脈沖寬度、頻率等信息，之后分別將配置信息傳送至各個通道的數字延時電路和斜坡電路。數字延時電路開始工作，由其內部計數器完成10 ns以上的大范圍延時(稱為“數字延時”)，計數結束立即開啟斜坡電路繼續完成10 ns以下的細延時(稱為“模擬延時”)。總的延時完成后，斜坡電路向FPGA內脈寬與極性電路發出啟動信號，輸出的脈沖寬度與極性(正脈沖或負脈沖)皆由該模塊完成，之后由端口輸出同步脈沖。若延時時間小于90 ns直接由斜坡電路完成延時；若延時時間大于90 ns，則先由計數器完成10 ns以上的數字延時，之后開啟斜坡電路完成10 ns以下模擬延時。

1.1 FPGA模塊

FPGA型號為Altera EP4CE15F17C8N，設計資源豐富，價格低。模塊內包含NIOS II軟核和邏輯電路。NIOS II是采用哈佛結構,具有32位指令集的嵌入式處理器，用戶可配置軟核運行速度、RAM大小、IO數量等，具有靈活性和可裁減性。NIOS II軟核設定各通道延時時間、脈沖寬度與極性，整個脈沖發生器的參數配置與RS-232通信功能也由NIOS II完成。軟核的使用節省了一個單片機控制系統。圖2是由Quartues II配置生成的NIOS II軟核RTL視圖。

圖2 NIOS II軟核RTL視圖

邏輯電路配合100 MHz溫補晶振用計數器實現10 ns以上的數字延時，同時控制斜坡電路模塊的開啟與關閉，調節輸出脈沖寬度。邏輯電路采用狀態機結構[14]，如圖3所示。狀態S1生成觸發頻率；狀態S2為模擬延時(開啟斜坡電路)；狀態S3為數字延時；狀態S4輸出延時脈沖并調節脈沖寬度與極性；狀態S5將已充電電容放電至0 V；狀態S6等待其他通道延時完成。

圖3 邏輯電路狀態機圖

1.2 斜坡電路模塊

斜坡電路模塊包含多個通道的斜坡電路，每個通道的原理相同,斜坡電路原理如圖4所示。傳統斜坡電路采用恒流源設計，但高精度恒流源結構復雜、不易制作。本設計用高速三態門電路代替恒流源[15]，降低了輸出抖動。三態門對電容充電,電容電壓與充電時間呈指數關系[16]，達到D/A所設置的電壓值時，比較器反轉，形成輸出信號。斜坡電路將時間量轉換成電壓量，調節D/A的值即可實現10 ns以下任意時間的延時。

圖4 斜坡電路原理圖

由于電路存在線路延遲，且線路延遲具體值未知，故需要將線路延遲折合到斜坡電路上，如圖5所示。OA段為折合到模擬延時上的路徑延時。弧線AB之間的電壓對應10 ns的充電時間，為方便脈沖發生器精度校準，用直線AB近似代替弧線AB進行電壓與時間的換算，所以會引入原理誤差。電容充電函數為：

(1)

圖5 電容電壓變化圖

實際工程設計中選取A、B兩點橫坐標XA=30 ns，XB=40 ns，由式(1)可得到A、B兩點縱坐標YA=1.087 9，YB=1.364 1。直線AB公式：

U2=0.027 62t+0.259 3

(2)

當D/A電壓一定時，由式(1)和(2)推得延時誤差為

(3)

1.09

當U=1.228 5時，Δt最大為0.17 ns，即實際延時時間比設定的時間大0.17 ns(最大延時誤差為0.17 ns)。在本脈沖發生器中可以忽略延時誤差，因為延時誤差與輸出抖動沒有聯系，而輸出抖動是本脈沖發生器最重要的參數，直接影響TOF-SIMS整機性能。

1.3 輸出驅動模塊

輸出驅動模塊由高速三態門組成，提供輸出信號的驅動能力和極性選擇，輸出電壓5 V，輸出阻抗50 Ω。

2 參數測試

測試過程采用固偉4通道數字示波器，其具有500 MHz帶寬、5 GSa/s采樣率。分別將A、B、C通道延時設定為5、10、15 μs，如圖6所示。

圖6 實測波形圖

實測指標如下：路與路之間的抖動小于200 ps，上升沿小于3 ns，延時分辨率100 ps，延時范圍20 ns～0.4 s，輸出頻率范圍0.002～40 kHz。圖7為四通道脈沖發生器實物圖。

圖7 四通道脈沖發生器實物圖

3 鋯石譜峰測試

分別將BNC575(進口脈沖發生器)與本脈沖發生器用在自制TOF-SIMS中，對所獲得鋯石譜峰寬度進行試驗對比，獲取表1所示數據。譜峰數據為多次疊加產生，延時抖動越小，獲得的譜峰寬度越低，TOF-SIMS的質量分辨率也越高。雖然采用本脈沖發生器，獲得譜峰寬度略大于采用BNC575，但影響非常小，基本可以忽略不計。將自制脈沖發生器安裝在TOF-SIMS儀器中，獲得鋯石譜峰如圖8所示。該譜峰與采用Berkeley公司BNC575所獲數據一致。

表1 應用兩種脈沖發生器獲得譜圖峰寬對比

圖8 自制脈沖發生器應用于TOF-SIMS-REE所得鋯石譜圖

4 結 語

本脈沖發生器專屬于TOF-SIMS，無冗余功能。其結構簡單、成本低，長時間工作指標穩定。該裝置輸出抖動實現亞納秒級，滿足多數同步控制領域對精度的要求。此外，NIOS II軟核配合FPGA邏輯電路應用靈活，方便集成其它功能，延時通道數量也可以根據不同的應用要求而增減。

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