李清江,徐 欣,孫兆林,李 楠,李耀立,周 振2,

(1.國(guó)防科技大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410073;2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,環(huán)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(shí)間測(cè)量在科學(xué)儀器,原子核和粒子物理研究,深空通訊,激光測(cè)距和物質(zhì)成分檢測(cè)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。飛行時(shí)間質(zhì)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(guò)測(cè)量待測(cè)離子飛過(guò)一定距離所需要的時(shí)間來(lái)區(qū)分不同離子的質(zhì)荷比(m/z),進(jìn)而鑒別離子成分。TOF-MS快速、高精度、高靈敏度的特點(diǎn)決定其必須具有高時(shí)間分辨率和高靈敏度數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備,目前最常用的有高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)和高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter,TDC)。其中TDC的原理是通過(guò)記錄一段時(shí)間內(nèi)離子脈沖信號(hào)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)(start)的到達(dá)時(shí)間和數(shù)量,繼而判定粒子的種類(lèi)及其含量。

我國(guó)對(duì)可用于飛行時(shí)間質(zhì)譜儀且時(shí)間分辨率小于1 ns的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究還很少,目前僅有少數(shù)幾所大學(xué)從事相關(guān)研究工作。本實(shí)驗(yàn)室根據(jù) TDC的基本原理,結(jié)合長(zhǎng)期從事高速數(shù)據(jù)采集的成功研發(fā)經(jīng)驗(yàn),研制了一種通用性較強(qiáng)的多通道時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,其最小時(shí)間分辨率為403 ps,測(cè)量時(shí)間范圍為0～420 us,系統(tǒng)死時(shí)間＜13 ns,并在飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器中得到應(yīng)用。

1 TDC總體結(jié)構(gòu)與基本工作原理

TDC系統(tǒng)主要由前端信號(hào)調(diào)理模塊、高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高速時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、FPGA模塊、USB接口模塊等部分組成,示于圖1。信號(hào)調(diào)理模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX5525和高速比較器ADCMP567組成;高速串并轉(zhuǎn)換模塊主要由串并轉(zhuǎn)換芯片MAX3885組成;高速時(shí)鐘產(chǎn)生模塊由AD公司的時(shí)鐘產(chǎn)生芯片AD9517-1組成;數(shù)據(jù)處理及控制模塊由XILINX VIRTEX-4 SX35 FPGA及相關(guān)外圍電路組成;USB2.0傳輸及控制模塊由Cypress公司的CY7C68013及相關(guān)外圍電路組成。

圖1 TDC硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 H ardw are structure of TDC

TDC具有內(nèi),外觸發(fā)兩種工作模式。在內(nèi)觸發(fā)工作模式下,由 TDC系統(tǒng)自身產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),并由輸出通道產(chǎn)生電子引出脈沖信號(hào),以引導(dǎo)質(zhì)譜儀前端設(shè)備。同時(shí),在內(nèi)觸發(fā)工作模式下,通道1～4為完全相同的硬件輸入通道,用來(lái)獨(dú)立采集停止(stop)信號(hào)。而在外觸發(fā)工作模式下,通道4為專(zhuān)用外觸發(fā)采集通道,通道1～3為停止信號(hào)采集通道,輸出通道可以空置或作為其他相關(guān)設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)。

以外觸發(fā)工作模式為例。觸發(fā)通道(通道4)采集外部觸發(fā)信號(hào)以作為轉(zhuǎn)換的時(shí)間起點(diǎn),3個(gè)停止信號(hào)采集通道將NIM電平的串行脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后傳至串并轉(zhuǎn)換部分,并將其轉(zhuǎn)換為最高156.25 MHz的16位并行信號(hào),以直接利用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。FPGA通過(guò)“沿判斷原理”判斷各停止信號(hào)采集通道采集到的停止脈沖信號(hào)的數(shù)量以及相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間,并將處理結(jié)果通過(guò)USB2.0接口傳至PC以進(jìn)行質(zhì)譜圖的繪制。由于串并轉(zhuǎn)換的最高時(shí)鐘頻率為2.5 GHz,即可達(dá)到400 ps的時(shí)間分辨率。針對(duì)不同的應(yīng)用背景,本 TDC串并轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率可調(diào),調(diào)節(jié)范圍為 500 MHz～2.5 GHz,即時(shí)間分辨率在400 ps～2 ns可調(diào)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 前端信號(hào)調(diào)理模塊

在飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器中,離子探測(cè)器輸出信號(hào)一般為NIM信號(hào),幅值在0～-800 mV范圍內(nèi)。該信號(hào)首先需經(jīng)過(guò)幅度甄別,邏輯符合,延時(shí)等處理。為了能直接與這類(lèi)前續(xù)NIM邏輯功能插件相連[1],同時(shí)也為了提高系統(tǒng)的通用性,TDC輸入通道設(shè)計(jì)允許的動(dòng)態(tài)范圍為-2.425～+2.425 V?？紤]到串并轉(zhuǎn)換電路要求輸入信號(hào)為PECL電平及板上高速信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗噪問(wèn)題,設(shè)計(jì)中采用高速比較器ADCMP567將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VPECL電平信號(hào)。由于輸入信號(hào)幅度的動(dòng)態(tài)范圍較大,設(shè)計(jì)中采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5525來(lái)產(chǎn)生比較器的門(mén)限電壓,而具體的門(mén)限值可由 FPGA解析 PC端,通過(guò)USB2.0發(fā)送的命令來(lái)設(shè)定。門(mén)限調(diào)節(jié)范圍為 -2.425～ +2.425 V,調(diào)節(jié)步進(jìn)為 2 mV。輸入通道信號(hào)調(diào)理框圖示于圖2。

圖2 信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of signal conditioning module

高速比較器 ADCMP567的傳輸延時(shí)為250 ps,但由于比較器對(duì)start和 stop信號(hào)的傳輸延時(shí)基本一致,而 TDC測(cè)量的是二者的差值,故ADCMP567的器件傳輸延時(shí)對(duì) TDC測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。

TDC在內(nèi)觸發(fā)工作模式下由輸出通道發(fā)出電子引導(dǎo)脈沖,以提高輸出通道的隔離和驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。輸出通道信號(hào)調(diào)理電路由3態(tài)緩沖器SN74LVC125構(gòu)成,這里不再贅述。

2.2 高速串并轉(zhuǎn)換模塊

在氣體檢測(cè)的應(yīng)用中,TDC輸入信號(hào)的最小時(shí)間間隔為400 ps,即信號(hào)頻率最高為2.5 GHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了FPGA處理數(shù)據(jù)能力。為此,設(shè)計(jì)中將最高頻率2.5 GHz的串行脈沖輸入信號(hào)經(jīng)高速串并轉(zhuǎn)換為16位的并行信號(hào),這樣數(shù)據(jù)的最高頻率就降為156.25 MHz,從而可以直接利用FPGA進(jìn)行脈沖數(shù)量和到達(dá)時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)處理,提高了 TDC的功能靈活性。

高速串并轉(zhuǎn)換模塊由串并轉(zhuǎn)換芯片MAX3885及外圍電路構(gòu)成。MAX3885是一款1∶16串并轉(zhuǎn)換芯片,單3.3 V供電。芯片接收PECL電平標(biāo)準(zhǔn)的差分串行輸入數(shù)據(jù)和時(shí)鐘,輸出LVDS電平標(biāo)準(zhǔn)的差分16位并行數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘。

2.3 高速時(shí)鐘產(chǎn)生模塊

為保證 TDC測(cè)量脈沖時(shí)間間隔的精度,高速串并轉(zhuǎn)換模塊需要一個(gè)高時(shí)間穩(wěn)定度、最高頻率為2.5 GHz的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。為此,TDC選用集成鎖相環(huán)芯片 AD9517-1來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。AD9517-1是一個(gè)集成PLL頻率合成器與時(shí)鐘分配器,單片AD9517-1即可為4個(gè)輸入通道分別提供獨(dú)立的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,時(shí)鐘穩(wěn)定度＜20×10-6。在 TDC中,AD9517-1的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍為500 MHz～2.5 GHz,即 TDC時(shí)間分辨率在400 ps～2 ns可調(diào)。

2.4 USB2.0模塊

為了降低 TDC對(duì) PC硬件配置的要求和TDC本身的便攜性,設(shè)計(jì)中采用USB2.0接口來(lái)實(shí)現(xiàn) TDC與PC間的數(shù)據(jù)傳輸。在氣體檢測(cè)的應(yīng)用中,飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器中的離子飛行時(shí)間較短,每秒采樣的數(shù)據(jù)量較少(為幾十kHz),而利用集成USB2.0控制芯片CY7C68013可實(shí)現(xiàn)最高為48 Mbyte/s的數(shù)據(jù)傳輸速度,故可以滿(mǎn)足傳輸速度的要求。

3 基于FPGA的TDC數(shù)據(jù)處理

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的數(shù)據(jù)定義一般包括以下幾個(gè)參數(shù):采樣長(zhǎng)度,是指每個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)質(zhì)荷比最大離子的飛行時(shí)間;脈沖頻率,是指每秒鐘對(duì)離子的檢測(cè)次數(shù);脈標(biāo),是指每個(gè)觸發(fā)脈沖的編號(hào);累加次數(shù),是指得到一個(gè)完整質(zhì)譜圖所用的觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù);測(cè)量時(shí)間,是指做一次完整檢測(cè)所需要的時(shí)間,一般由完整質(zhì)譜圖的個(gè)數(shù)來(lái)定義;總測(cè)量時(shí)間,是脈沖頻率倒數(shù)、累加次數(shù)和質(zhì)譜圖個(gè)數(shù)的乘積[2,10]。

用戶(hù)在PC端設(shè)定好采樣長(zhǎng)度、累加次數(shù)、譜圖個(gè)數(shù)、時(shí)間分辨率、觸發(fā)電平等參數(shù)后,通過(guò)USB2.0向FPGA發(fā)送相應(yīng)命令。在外觸發(fā)模式下,FPGA解析命令后等待 TDC觸發(fā)通道采集到外觸發(fā)信號(hào)以開(kāi)始轉(zhuǎn)換。其中每一個(gè)掃描周期內(nèi)的數(shù)據(jù)處理流程示于圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Flowchart of data processing

脈沖信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后得到一連串的16位并行信號(hào),其頻率最高為156.25 MHz。信號(hào)進(jìn)入FPGA后,2個(gè)16位的移位寄存器進(jìn)行邏輯運(yùn)算,FPGA檢測(cè)寄存器中,前后兩位數(shù)據(jù)是否存在從0到1的跳變,若存在則可認(rèn)為檢測(cè)到了輸入信號(hào)中的一個(gè)脈沖,將此16位并行信號(hào)存到數(shù)據(jù)寄存器regF中。此時(shí) FPGA啟動(dòng)相應(yīng)邏輯,將脈標(biāo)(掃描周期數(shù))、時(shí)標(biāo)(16位并行信號(hào)的順序)和數(shù)據(jù)寄存器regF中的數(shù)據(jù)存入FPGA的 FIFO中,并通過(guò)相關(guān)通信協(xié)議將FIFO中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB2.0傳送至PC進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。PC端通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中脈標(biāo)、時(shí)標(biāo)和數(shù)據(jù)的解讀,即可恢復(fù)出脈沖信號(hào)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)的真實(shí)時(shí)間,時(shí)間分辨率最高為400 ps。

4 TDC性能測(cè)試

4.1 TDC時(shí)間分辨率測(cè)試

時(shí)間分辨率測(cè)試采用延遲線測(cè)量法,利用Tektronix雙通道任意波形發(fā)生器AFG3102來(lái)產(chǎn)生start和stop信號(hào)。start和stop信號(hào)的頻率同為100 kHz,兩者間延時(shí)為15 ns,以規(guī)避系統(tǒng)死時(shí)間。利用功分插件將stop信號(hào)分為相同的兩路,并利用長(zhǎng)度不等的延遲線將兩路信號(hào)分別輸入通道1和通道2。

根據(jù)延遲線測(cè)量法的原理,通道1與通道2測(cè)量時(shí)間差值的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差即為 TDC的時(shí)間分辨率?？紤]到統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差隨延長(zhǎng)線的長(zhǎng)度差有一定的漲落,故時(shí)間分辨率實(shí)際上取該統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的最大值[3-8]。

根據(jù)上述時(shí)間分辨率的測(cè)試方法,本 TDC的時(shí)間分辨率測(cè)試結(jié)果列于表1。

表1 時(shí)間分辨率測(cè)試結(jié)果Table 1 Testing result of the time resolution

4.2 TDC線性度測(cè)試

測(cè)試采用數(shù)字脈沖/延時(shí)產(chǎn)生器DDG-200來(lái)產(chǎn)生延遲信號(hào),并在時(shí)間分辨率為400 ps模式下進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)采用 Tektronix TDS210示波器進(jìn)行參考測(cè)量。限于測(cè)試環(huán)境,測(cè)試時(shí)間間隔區(qū)間為30 ns～5 us,沒(méi)有進(jìn)行時(shí)間間隔30 ns以下和5 us以上的測(cè)試,線性度測(cè)試結(jié)果列于表2。

表2 線形度測(cè)試結(jié)果Table 2 Testing result of linearity

在30 ns～5 us的測(cè)量范圍內(nèi),TDC測(cè)量值均比參考測(cè)量值小6.4～6.8 ns,經(jīng)分析可知,這是由于FPGA相關(guān)邏輯在判斷觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)間上存在延遲所致,這一偏差可在 PC數(shù)據(jù)處理時(shí)做相應(yīng)的修正。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,本TDC測(cè)量結(jié)果的線性度較好,積分非線性＜0.03%[1,3,9]。

4.3 TDC質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)

4.3.1 檢測(cè)環(huán)境 實(shí)驗(yàn)中將本 TDC與廣州禾信分析儀器有限公司和上海大學(xué)所研發(fā)的 EITOFMS-1000相連[10],記錄真空背景氣體質(zhì)譜圖,并與同等測(cè)試環(huán)境下用美國(guó)ORTEC公司TDC9353的測(cè)試結(jié)果做了相應(yīng)的對(duì)比,示于圖4,其中ORTEC9353的時(shí)間分辨也被設(shè)置為400 ps。實(shí)驗(yàn)儀器的離子源具體參數(shù)如下:真空背景氣壓8×10-6Pa,電子轟擊源發(fā)射電流170 μA,電子轟擊能量70 eV,溫度26 ℃,累加時(shí)間1 s。

圖4 EI-TOFMS-1000飛行時(shí)間質(zhì)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(cè)試結(jié)果分析 從圖4可以看出,兩張TDC卡所得的質(zhì)譜圖相似,在8×10-6Pa真空中 ,檢測(cè)出的成分主要是 H2O、H2、O2、N2、CO2等。總體上,單位時(shí)間內(nèi)自制 TDC所采到的峰高較ORTEC9353稍高,更詳細(xì)地可以通過(guò)計(jì)算峰面積的方法對(duì)4個(gè)主要質(zhì)譜峰進(jìn)行比較,結(jié)果列于表3。同時(shí)可以看出,高度差別最大的質(zhì)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(biāo)化合物峰面積比較Table 3 Peak area of the target compound under vacuum background

5 結(jié) 論

根據(jù)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器的應(yīng)用背景,提出了一種基于高速串并轉(zhuǎn)換原理的多通道高精度時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案,經(jīng)實(shí)際制作與調(diào)試,本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),時(shí)間測(cè)量范圍為0～420 us,實(shí)際測(cè)試最小時(shí)間分辨率為403 ps,線性度良好。目前,該 TDC已應(yīng)用于廣州禾信分析儀器有限公司的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中,累計(jì)運(yùn)行多于400 h,體現(xiàn)了較高的可靠性。今后的重點(diǎn)將針對(duì)檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍,最小時(shí)間分辨率和靈敏度等主要參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。

致謝:感謝上海大學(xué)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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