多通道高精度时间-数字转换器的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国防科技大学 作者:李清江

  介绍了一种基于USB2.0接口的多通道高精度时间-数字转换器( time-to-digital converter , TDC) 的设计与实现。完成了NIM-LVPECL 电平转换电路、高速串并转换电路、基于FPGA 的数据处理及相关逻辑控制等单元电路的设计,最后给出了TDC 的测试性能指标。结果表明, TDC 的最小时间分辨率为403ps ,测量时间范围为0~420 us ,测量“死时间”< 13 ns。TDC 可广泛应用于高精度的时间间隔测量领域,特别是作为飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer , TOF-MS) 的数据采集卡。

  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-dlight mass spect rometer , TOF-MS)作为快速、高精度、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 p s ,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AD951721 组成;数据处理及控制模块由XIL INX VIRTEX24 SX35FPGA 及相关外围电路组成;USB2. 0 传输及控制模块由Cyp ress 公司的CY7C68013 及相关外围电路组成。

TDC硬件结构图

图1  TDC硬件结构图

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 p s ,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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