多通道高精度时间数字转换器的研制

第３１卷第１期２０１０年１月质谱学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＳｏｃｉｅｔｙＶ０１．３１Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１０多通道高精度时间－数字转换器的研制李清江１，徐欣１，孙兆林１，李楠１，李耀立３，周振２’３（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）摘要：介绍了一种基于ＵＳＢ２．０接口的多通道高精度时间一数字转换器（ｔｉｍｅ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，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，测量时间范国为０～４２０ＵＳ，测量“死时间”＜１３ａｓ。

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－ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＴＯＦ－ＭＳ）的数据采集卡。

关键词：时间数字转换（ＴＤＣ）；核仪器插件（ＮＩＭ）；串并转换；ＦＰＧＡ；飞行时间质谱仪（ＴＯＦ－ＭＳ）中图分类号：Ｏ６５７．６３文献标识码：Ａ文章编号：１００４－２９９７（２０１０）０１－００２８－０６Ｍｕｌｔｉ—Ｃｈａｎｎｅｌ，ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＴｉｍｅ－ｔｏ－ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒＬＩＱｉｎｇ＿ｊｉａｎ９１，ＸＵＸｉｎｌ，ＳＵＮＺｈａｏ—ｌｉｎｌ，ＬＩＮａｎｌ，ＬＩＹａｏ—ｌｉ３，ＺＨＯＵＺｈｅｎ２’３（１．ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｒｉｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄＨｅａｌｔｈ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ；３．ＨｅｘｉｎＡｎａｌｙｔｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＣｏ．ＬＴＤ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ，ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔｉｍｅ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＴＤＣ）ｂａｓｅｄｏｎＵＳＢ２．０ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅＮＩＭ—ｔｏ—ＬＶＰＥＣＬｌｏｇｉｃｌｅｖｅｌｃｏｎ－ｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｓｅｒｉｅｓ－ｔｏ－ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅＦＰＧＡｂａｓｅｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ。

ｓｏｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＴＤＣａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｇｉｖｅｎ．ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＴＤＣｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｔｉｍｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓ４０３ｐｓ，ｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉＳ４２０ＵＳ，ａｎｄｔｈｅｄｅａｄｔｉｍｅｉＳｌｅｓｓｔｈａｎ１３ｎｓ．ＴｈｅＴＤＣｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｗｈｅｈｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔｉｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｒｅｒｅｑｕｉｒｅｄ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＯＦ－ＭＳ）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｅ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＴＤＣ）；ＮＩＭ；ｓｅｒｉｅｓ－ｔｏ－ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＦＰＧＡ；ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＯＦ－ＭＳ）收稿日期：２００９－０６－２２；修回日期：２００９－１０－１６基金项目：国防科技大学研究生创新基金资助项目（ｓ０９０４０４）作者简介：李清江（１９８６～）。

男（汉族），山东人，硕士研究生，从事高速数据采集系统的研制与开发。

Ｅ－ｍａｉｌ；ａｎｓｈｉｌｉｑｉｎｇｊｉａｎｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ通信作者：周振（１９６９～），男（汉族），福建人，研究员，从事质谱仪器研究．Ｅ－ｍａｉｌｔｚｈｏｕｚｈｅｎ＠ｇｉｇ．ａｃ．ｃｎ第１期李清江等：多通道高精度时间一数字转换器的研制２９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－ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，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－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＡＤＣ）和高精度时间数字转换器（ｔｉｍｅ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，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１ｎｓ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Ｓｔａｒｔ＆ｓｔｏｐ‘‘。

‘。

’’’’’。

一型堕攀际高速串并转换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４０３ｐｓ，测量时间范围为０～４２０ＵＳ，系统死时间＜１３ｎｓ，并在飞行时间质谱仪器中得到应用。

１ＴＩ）Ｃ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ＸＩＬＩＮＸＶＩＲＴＥＸ一４ＳＸ３５ＦＰＧＡ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。

２据处ＦＰＧＡ图１ＴＤＣ硬件结构图Ｆ喀１ｌｔａｒｃｌｗｍ＇ｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴＤＣＴＤＣ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ＵＳＢ２．Ｏ接Ｕ４）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１５６．２５ＭＨｚ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２．５ＧＨｚ，即可达到４００ｐｓ匝匝丽蓬一ＳＳＳ３０质谱学报第３１卷的时间分辨率。

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～２．５ＧＨｚ，即时间分辨率在４００ｐｓｉ－．２ｒｉｓ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Ｏ～－－８００ｍＶ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～＋２．４２５Ｖ。

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。

门限调节范围为一２．４２５～＋２．４２５Ｖ，调节步进为２ｍＶ。

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．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｍｏｄｕｌｅ高速比较器ＡＤＣＭＰ５６７的传输延时为２５０ｐｓ，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ＳＮ７４ＬＶＣｌ２５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４００ｐｓ，即信号频率最高为２．５ＧＨｚ，远远超出了ＦＰＧＡ处理数据能力。

为此，设计中将最高频率２．５ＧＨｚ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１５６．２５ＭＨｚ，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ｌ：１６串并转换芯片，单３．３Ｖ供电。

芯片接收ＰＥＣＬ电平标准的差分串行输人数据和时钟，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２．５ＧＨｚ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。

ＡＤ９５１７一ｌ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＜２０×１０一。

在ＴＤＣ中，ＡＤ９５１７－１的输出频率调节范围为５００ＭＨｚ－－一２．５ＧＨｚ，即ＴＤＣ时间分辨率在４００ｐｓｉ２ａｓ可调。

２．４ＵＳＢ２．０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。