介紹了一種基于USB2.0接口的多通道高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器( time-to-digital converter , TDC) 的設(shè)計與實現(xiàn)。完成了NIM-LVPECL 電平轉(zhuǎn)換電路、高速串并轉(zhuǎn)換電路、基于FPGA 的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)邏輯控制等單元電路的設(shè)計,最后給出了TDC 的測試性能指標。結(jié)果表明, TDC 的最小時間分辨率為403ps ,測量時間范圍為0～420 us ,測量“死時間”< 13 ns。TDC 可廣泛應(yīng)用于高精度的時間間隔測量領(lǐng)域,特別是作為飛行時間質(zhì)譜儀(time-of-flight mass spectrometer , TOF-MS) 的數(shù)據(jù)采集卡。

　　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(zhì)成分檢測等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。飛行時間質(zhì)譜儀( time-of-dlight mass spect rometer , TOF-MS)作為快速、高精度、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(qū)分不同離子的質(zhì)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(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) 和高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter ,TDC) 。其中TDC 的原理是通過記錄一段時間內(nèi)離子脈沖信號相對于觸發(fā)信號( start)的到達時間和數(shù)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(zhì)譜儀且時間分辨率小于1 ns 的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究很少,目前僅有少數(shù)幾所大學從事相關(guān)研究工作。本實驗室根據(jù)TDC 的基本原理,結(jié)合長期從事高速數(shù)據(jù)采集的成功研發(fā)經(jīng)驗,研制了一種通用性較強的多通道時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,其最小時間分辨率為403 p s ,測量時間范圍為0～420 us ,系統(tǒng)死時間< 13 ns ,并在飛行時間質(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)主要由前端信號調(diào)理模塊、高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高速時鐘產(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;高速時鐘產(chǎn)生模塊由AD 公司的時鐘產(chǎn)生芯片AD951721 組成;數(shù)據(jù)處理及控制模塊由XIL INX VIRTEX24 SX35FPGA 及相關(guān)外圍電路組成;USB2. 0 傳輸及控制模塊由Cyp ress 公司的CY7C68013 及相關(guān)外圍電路組成。

圖1 　TDC硬件結(jié)構(gòu)圖

5、結(jié)論

　　根據(jù)飛行時間質(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間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案,經(jīng)實際制作與調(diào)試,本設(shè)計達到了預(yù)期的設(shè)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 p s ,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間質(zhì)譜儀器的相關(guān)實驗中,累計運行多于400 h ,體現(xiàn)了較高的可靠性。今后的重點將針對檢測動態(tài)范圍,最小時間分辨率和靈敏度等主要參數(shù)進一步優(yōu)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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