多通道高精度时间-数字转换器的研制

　　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 SX35FPGA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。

　　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500MHz~2.5 GHz,即时间分辨率在400 ps~2 ns可调。