收稿日期:2009206222；修回日期:2009210216
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 2mail :anshiliqingjiang @yahoo
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 2mail :zhouzhen @gig.ac
第31卷第1期
2010年1月
质谱学报
Journal of Chinese Mass Spectrometry Society
Vol.31 No.1Jan.2010
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2数字转换器(time 2to 2digital converter ,TDC )的设计与实现。完成了N IM 2L V PECL 电平转换电路、高速串并转换电路、基于FP GA 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403p s ，测量时间范围为0～420us ，测量“死时间”<13ns 。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 2of 2flight mass spectrometer ,TOF 2MS )的数据采集卡。
关键词：时间数字转换(TDC )；核仪器插件(N IM )；串并转换;FP GA ；飞行时间质谱仪(TOF 2MS )中图分类号:O 657.63 文献标识码:A 文章编号:100422997(2010)0120028206
Multi 2Channel ,High R esolution Time 2to 2Digital Converter
L I Qing 2jiang 1,XU Xin 1,SUN Zhao 2lin 1,L I Nan 1,L I Yao 2li 3,ZHOU Zhen 2,3
(1.N ational Universit y of Def ence Technology ,Changsha 410073,China;
2.I nstitute of Envi ronment Poll ution and Health ,S chool of Envi ronmental and Chemical Engineering ,
S hanghai Universit y ,S hanghai 200072,China;
3.Hex in A nal y tical I nst rument Co.L T D ,Guangz hou 510663,China )
Abstract :The design and t he realization of a multi 2channel ,high resolution time 2to 2digital
converter (TDC )based on U SB2.0were int roduced.The N IM 2to 2L V PECL logic level con 2verter ,t he high 2speed series 2to 2parallel converter ,and t he FP GA based data process and logic co nt rol circuit are completed.In t he end ,some parameters of t he TDC are measured and given.The parameters of t he TDC show t hat t he minimum time resolution is 403p s ,t he range of measurement is 420us ,and t he dead time is less t han 13ns.The TDC can be used in t he fields wheh high resolution time measurement are required ,for example ,in t he application of time 2of 2flight mass spect rometer (TOF 2MS ).
K ey w ords :time 2to 2digital converter (TDC );N IM ;series 2to 2parallel converter ;FP GA ;time 2of
2flight mass spect rometer (TO F 2MS )
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 2of 2flight mass spectrometer ,TOF 2MS )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 2MS 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 2to 2digital converter ,ADC )和高精度时间数字转换器(time 2to 2digital 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 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403p s ，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。
1 T DC 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
水烟串并转换模块、高速时钟产生模块、FP GA 模块、U SB 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MA X5525和高速比较器ADCM P567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 IN X V IR TEX 24SX35FP GA 及相关外围电路组成;U SB2.0传输及控制模块由Cyp ress 公司的C Y7C68013及相关外围电路组成
。
图1 T DC 硬件结构图
Fig.1 H ardw are structure of T DC
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N IM 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156.25M Hz 的16位并行信号，以直接利用FP GA 进行数据处理。FP GA 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U SB2.0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400p s
9
2 第1期 李清江等：多通道高精度时间2数字转换器的研制
的时间分辨率。针对不同的应用背景，本TDC
猪肉精
串并转换的时钟频率可调，调节范围为500M Hz ～2.5GHz ，即时间分辨率在400p s ～2ns 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N IM 信号，幅值在0～-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N IM 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ADCM P567将输入信号转换为LV PECL 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FP GA 解析PC 端，通过U SB2.0发送的命令来设定。门限调节范围为- 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.2 Structure of signal conditioning module
高速比较器ADCM P567的传输延时为
250p s ，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ADCM P567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SN74L VC125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400p s ，即信号频率最高为2.5GHz ，远远超出了FP GA 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156.25M Hz ，从而可以直接利用FP GA 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3.3V 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2.5GHz 的转换时钟。为此,TDC 选用集成锁相环芯片AD951721来产生时钟信号。AD951721是一个集成PLL 频率合成器与时
钟分配器，单片AD951721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,AD951721的输出频率调节范围为500M Hz ～2.5GHz ，即TDC 时间分辨率在400p s ～2ns 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U SB2.0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k Hz )，而利用集成U SB2.0控制芯片C Y7C68013可实现最高为48Mbyte/s 的数据传输速度，故可以满足传输速度的要求。
3 基于FPG A 的T DC 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]。
03质谱学报 第31卷
厚度测量用户在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U SB2.0向FP GA 发送相应命令。在外触发模式下,FP GA 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 Flow chart of d ata 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156.25M Hz 。信号进入FP GA 后,2个16位的移位寄存器进行逻辑运算,FP GA 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FP GA 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FP GA 的FIFO 中，并通过相关通信协议将FIFO 中的数据经U SB2.0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400p s 。
4 T DC 性能测试
4.1 T DC 时间分辨率测试
时间分辨率测试采用延迟线测量法，利用Tekt ronix 双通道任意波形发生器A F G3102来产生start 和stop 信号。start 和stop 信号的频率同为100k Hz ，两者间延时为15ns ，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[328]。
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
T able 1 T esting result of the time resolution 时间分辨率
实测分辨率
400ps 402.922ps 800ps 808.356ps 1.2ns 1.253ns 1.6ns 1.677ns 2.0ns 2.088ns 4.0ns
4.122ns
4.2 T DC 线性度测试
测试采用数字脉冲/延时产生器DD G 2200来产生延迟信号，并在时间分辨率为400p s 模式下进行测试，同时采用Tekt ronix 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30ns ～5us ，没有进行时间间隔30ns 以下和5us 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
T able 2 T esting result of linearity 参考测量值/ns
TDC 测量值/ns
3023.25043.67063.290
83.610093.6200193.6500493.61000993.220001993.65000
4993.6
在30ns ～5us 的测量范围内,TDC 测量值均比参考测量值小6.4～6.8ns ，经分析可知，这是由于FP GA 相关逻辑在判断触发信号到达时
北京德科岛金
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3 第1期 李清江等：多通道高精度时间2数字转换器的研制
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 T DC 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EI 2TO FMS 21000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OR TEC 公司
TDC9353的测试结果做了相应的对比，示于图4，其中OR TEC9353的时间分辨也被设置为400p s 。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170μA ，电子轰击能量70eV ，温度26℃，累加时间1s
渗透印章。
图4 EI 2T OFMS 21000飞行时间质谱图
a.自制TDC ;
b.OR TEC9353
Fig.4 Mass spectra from EI 2T OFMS 21000taken by home 2m ade T DC(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H 2O 、H 2、O 2、N 2、CO 2
等。总体上，单位时间内自制TDC 所采到的峰高较OR TEC9353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H 2O +及O H +，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
T able 3 Peak area of the target compound under vacuum b ackground
目标峰
阀值电压9mV ，时间分辨率400ps
峰面积OR TEC 9353
自制TDC 数据
采集卡
自制与OR TEC 峰
面积比较
H 2101135 1.3N 218702431 1.3O 2470580 1.2CO 2
390
482通柜
1.2
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2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0～420us ，实际测试最小时间分辨率为403p 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400h ，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。
参考文献:
[1] 林延畅，王小斌，韩少敏，等.一种时间2数字转换
NIM 插件的研制[J ].核电子学与探测技术,2008,28(1):68270.
[2] 王福源，杨玉叶，时 伟.高分辨率时间数字转换
电路的PLD 实现[J ].半导体技术,2006,(6):
4522455.
23质谱学报 第31卷
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