多通道高精度时间-数字转换器的研制

李清江,徐 欣,孙兆林,李 楠,李耀立,周 振2,

(1.国防科技大学,湖南长沙 410073;2.上海大学环境与化学工程学院,环境污染与健康研究所,上海 200072;3.广州禾信分析仪器有限公司,广东广州 510663)

精密的时间测量在科学仪器,原子核和粒子物理研究,深空通讯,激光测距和物质成分检测等领域均有着广泛的应用。飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer,TOF-MS)作为快速、高精度、高灵敏度的分析仪器,是通过测量待测离子飞过一定距离所需要的时间来区分不同离子的质荷比(m/z),进而鉴别离子成分。TOF-MS快速、高精度、高灵敏度的特点决定其必须具有高时间分辨率和高灵敏度数据采集及处理设备,目前最常用的有高速模拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)和高精度时间数字转换器(time-to-digital converter,TDC)。其中TDC的原理是通过记录一段时间内离子脉冲信号相对于触发信号(start)的到达时间和数量,继而判定粒子的种类及其含量。

我国对可用于飞行时间质谱仪且时间分辨率小于1 ns的高精度时间数字转换器的研究还很少,目前仅有少数几所大学从事相关研究工作。本实验室根据 TDC的基本原理,结合长期从事高速数据采集的成功研发经验,研制了一种通用性较强的多通道时间数字转换器,其最小时间分辨率为403 ps,测量时间范围为0～420 us,系统死时间＜13 ns,并在飞行时间质谱仪器中得到应用。

1 TDC总体结构与基本工作原理

TDC系统主要由前端信号调理模块、高速串并转换模块、高速时钟产生模块、FPGA模块、USB接口模块等部分组成,示于图1。信号调理模块由数模转换芯片MAX5525和高速比较器ADCMP567组成;高速串并转换模块主要由串并转换芯片MAX3885组成;高速时钟产生模块由AD公司的时钟产生芯片AD9517-1组成;数据处理及控制模块由XILINX VIRTEX-4 SX35 FPGA及相关外围电路组成;USB2.0传输及控制模块由Cypress公司的CY7C68013及相关外围电路组成。

图1 TDC硬件结构图Fig.1 H ardw are structure of TDC

TDC具有内,外触发两种工作模式。在内触发工作模式下,由 TDC系统自身产生触发信号,并由输出通道产生电子引出脉冲信号,以引导质谱仪前端设备。同时,在内触发工作模式下,通道1～4为完全相同的硬件输入通道,用来独立采集停止(stop)信号。而在外触发工作模式下,通道4为专用外触发采集通道,通道1～3为停止信号采集通道,输出通道可以空置或作为其他相关设备的触发信号。

以外触发工作模式为例。触发通道(通道4)采集外部触发信号以作为转换的时间起点,3个停止信号采集通道将NIM电平的串行脉冲信号进行信号调理后传至串并转换部分,并将其转换为最高156.25 MHz的16位并行信号,以直接利用FPGA进行数据处理。FPGA通过“沿判断原理”判断各停止信号采集通道采集到的停止脉冲信号的数量以及相对于触发信号为计时起点的到达时间,并将处理结果通过USB2.0接口传至PC以进行质谱图的绘制。由于串并转换的最高时钟频率为2.5 GHz,即可达到400 ps的时间分辨率。针对不同的应用背景,本 TDC串并转换的时钟频率可调,调节范围为 500 MHz～2.5 GHz,即时间分辨率在400 ps～2 ns可调。

2 系统关键模块设计与实现

2.1 前端信号调理模块

在飞行时间质谱仪器中,离子探测器输出信号一般为NIM信号,幅值在0～-800 mV范围内。该信号首先需经过幅度甄别,逻辑符合,延时等处理。为了能直接与这类前续NIM逻辑功能插件相连[1],同时也为了提高系统的通用性,TDC输入通道设计允许的动态范围为-2.425～+2.425 V。考虑到串并转换电路要求输入信号为PECL电平及板上高速信号传输过程中的抗噪问题,设计中采用高速比较器ADCMP567将输入信号转换为LVPECL电平信号。由于输入信号幅度的动态范围较大,设计中采用数模转换器MAX5525来产生比较器的门限电压,而具体的门限值可由 FPGA解析 PC端,通过USB2.0发送的命令来设定。门限调节范围为 -2.425～ +2.425 V,调节步进为 2 mV。输入通道信号调理框图示于图2。

图2 信号调理模块结构图Fig.2 Structure of signal conditioning module

高速比较器 ADCMP567的传输延时为250 ps,但由于比较器对start和 stop信号的传输延时基本一致,而 TDC测量的是二者的差值,故ADCMP567的器件传输延时对 TDC测量结果的影响可以忽略。

TDC在内触发工作模式下由输出通道发出电子引导脉冲,以提高输出通道的隔离和驱动负载能力。输出通道信号调理电路由3态缓冲器SN74LVC125构成,这里不再赘述。

2.2 高速串并转换模块

在气体检测的应用中,TDC输入信号的最小时间间隔为400 ps,即信号频率最高为2.5 GHz,远远超出了FPGA处理数据能力。为此,设计中将最高频率2.5 GHz的串行脉冲输入信号经高速串并转换为16位的并行信号,这样数据的最高频率就降为156.25 MHz,从而可以直接利用FPGA进行脉冲数量和到达时间等相关数据处理,提高了 TDC的功能灵活性。

高速串并转换模块由串并转换芯片MAX3885及外围电路构成。MAX3885是一款1∶16串并转换芯片,单3.3 V供电。芯片接收PECL电平标准的差分串行输入数据和时钟,输出LVDS电平标准的差分16位并行数据和同步时钟。

2.3 高速时钟产生模块

为保证 TDC测量脉冲时间间隔的精度,高速串并转换模块需要一个高时间稳定度、最高频率为2.5 GHz的转换时钟。为此,TDC选用集成锁相环芯片 AD9517-1来产生时钟信号。AD9517-1是一个集成PLL频率合成器与时钟分配器,单片AD9517-1即可为4个输入通道分别提供独立的转换时钟,时钟稳定度＜20×10-6。在 TDC中,AD9517-1的输出频率调节范围为500 MHz～2.5 GHz,即 TDC时间分辨率在400 ps～2 ns可调。

2.4 USB2.0模块

为了降低 TDC对 PC硬件配置的要求和TDC本身的便携性,设计中采用USB2.0接口来实现 TDC与PC间的数据传输。在气体检测的应用中,飞行时间质谱仪器中的离子飞行时间较短,每秒采样的数据量较少(为几十kHz),而利用集成USB2.0控制芯片CY7C68013可实现最高为48 Mbyte/s的数据传输速度,故可以满足传输速度的要求。

3 基于FPGA的TDC数据处理

飞行时间质谱仪的数据定义一般包括以下几个参数:采样长度,是指每个触发周期内质荷比最大离子的飞行时间;脉冲频率,是指每秒钟对离子的检测次数;脉标,是指每个触发脉冲的编号;累加次数,是指得到一个完整质谱图所用的触发脉冲个数;测量时间,是指做一次完整检测所需要的时间,一般由完整质谱图的个数来定义;总测量时间,是脉冲频率倒数、累加次数和质谱图个数的乘积[2,10]。

用户在PC端设定好采样长度、累加次数、谱图个数、时间分辨率、触发电平等参数后,通过USB2.0向FPGA发送相应命令。在外触发模式下,FPGA解析命令后等待 TDC触发通道采集到外触发信号以开始转换。其中每一个扫描周期内的数据处理流程示于图3。

图3 数据处理流程图Fig.3 Flowchart of data processing

脉冲信号经串并转换后得到一连串的16位并行信号,其频率最高为156.25 MHz。信号进入FPGA后,2个16位的移位寄存器进行逻辑运算,FPGA检测寄存器中,前后两位数据是否存在从0到1的跳变,若存在则可认为检测到了输入信号中的一个脉冲,将此16位并行信号存到数据寄存器regF中。此时 FPGA启动相应逻辑,将脉标(扫描周期数)、时标(16位并行信号的顺序)和数据寄存器regF中的数据存入FPGA的 FIFO中,并通过相关通信协议将FIFO中的数据经USB2.0传送至PC进行后期数据处理。PC端通过对数据中脉标、时标和数据的解读,即可恢复出脉冲信号相对于触发信号的真实时间,时间分辨率最高为400 ps。

4 TDC性能测试

4.1 TDC时间分辨率测试

时间分辨率测试采用延迟线测量法,利用Tektronix双通道任意波形发生器AFG3102来产生start和stop信号。start和stop信号的频率同为100 kHz,两者间延时为15 ns,以规避系统死时间。利用功分插件将stop信号分为相同的两路,并利用长度不等的延迟线将两路信号分别输入通道1和通道2。

根据延迟线测量法的原理,通道1与通道2测量时间差值的统计标准差即为 TDC的时间分辨率。考虑到统计标准差随延长线的长度差有一定的涨落,故时间分辨率实际上取该统计标准差的最大值[3-8]。

根据上述时间分辨率的测试方法,本 TDC的时间分辨率测试结果列于表1。

表1 时间分辨率测试结果Table 1 Testing result of the time resolution

4.2 TDC线性度测试

测试采用数字脉冲/延时产生器DDG-200来产生延迟信号,并在时间分辨率为400 ps模式下进行测试,同时采用 Tektronix TDS210示波器进行参考测量。限于测试环境,测试时间间隔区间为30 ns～5 us,没有进行时间间隔30 ns以下和5 us以上的测试,线性度测试结果列于表2。

表2 线形度测试结果Table 2 Testing result of linearity

在30 ns～5 us的测量范围内,TDC测量值均比参考测量值小6.4～6.8 ns,经分析可知,这是由于FPGA相关逻辑在判断触发信号到达时间上存在延迟所致,这一偏差可在 PC数据处理时做相应的修正。从测量数据可以看出,本TDC测量结果的线性度较好,积分非线性＜0.03%[1,3,9]。

4.3 TDC质谱实验

4.3.1 检测环境 实验中将本 TDC与广州禾信分析仪器有限公司和上海大学所研发的 EITOFMS-1000相连[10],记录真空背景气体质谱图,并与同等测试环境下用美国ORTEC公司TDC9353的测试结果做了相应的对比,示于图4,其中ORTEC9353的时间分辨也被设置为400 ps。实验仪器的离子源具体参数如下:真空背景气压8×10-6Pa,电子轰击源发射电流170 μA,电子轰击能量70 eV,温度26 ℃,累加时间1 s。

图4 EI-TOFMS-1000飞行时间质谱图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 测试结果分析 从图4可以看出,两张TDC卡所得的质谱图相似,在8×10-6Pa真空中 ,检测出的成分主要是 H2O、H2、O2、N2、CO2等。总体上,单位时间内自制 TDC所采到的峰高较ORTEC9353稍高,更详细地可以通过计算峰面积的方法对4个主要质谱峰进行比较,结果列于表3。同时可以看出,高度差别最大的质谱峰是 H2O+及OH+,这主要是由于 TDC饱和,阀值电压的微小差别及两张卡采样原理的差别造成。

表3 真空背景下目标化合物峰面积比较Table 3 Peak area of the target compound under vacuum background

5 结 论

根据飞行时间质谱仪器的应用背景,提出了一种基于高速串并转换原理的多通道高精度时间-数字转换器的设计方案,经实际制作与调试,本设计达到了预期的设计目标,时间测量范围为0～420 us,实际测试最小时间分辨率为403 ps,线性度良好。目前,该 TDC已应用于广州禾信分析仪器有限公司的飞行时间质谱仪器的相关实验中,累计运行多于400 h,体现了较高的可靠性。今后的重点将针对检测动态范围,最小时间分辨率和灵敏度等主要参数进一步优化。

致谢:感谢上海大学黄正旭博士、高伟博士和广州禾信分析仪器有限公司的粘惠青硕士在工作中给予的帮助。

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