介紹了一種基于USB2.0接口的多通道高精度時間-數字轉換器( time-to-digital converter , TDC) 的設計與實現。完成了NIM-LVPECL 電平轉換電路、高速串并轉換電路、基于FPGA 的數據處理及相關邏輯控制等單元電路的設計,最后給出了TDC 的測試性能指標。結果表明, 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 可廣泛應用于高精度的時間間隔測量領域,特別是作為飛行時間質譜儀(time-of-flight mass spectrometer , TOF-MS) 的數據采集卡。

　　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,激光測距和物質成分檢測等領域均有著廣泛的應用。飛行時間質譜儀( 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分不同離子的質荷比( 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據采集及處理設備,目前最常用的有高速模擬數字轉換器(analog-to-digital converter , ADC) 和高精度時間數字轉換器(time-to-digital converter ,TDC) 。其中TDC 的原理是通過記錄一段時間內離子脈沖信號相對于觸發信號( start)的到達時間和數量,繼而判定粒子的種類及其含量。

　　我國對可用于飛行時間質譜儀且時間分辨率小于1 ns 的高精度時間數字轉換器的研究很少,目前僅有少數幾所大學從事相關研究工作。本實驗室根據TDC 的基本原理,結合長期從事高速數據采集的成功研發經驗,研制了一種通用性較強的多通道時間數字轉換器,其最小時間分辨率為403 p s ,測量時間范圍為0～420 us ,系統死時間< 13 ns ,并在飛行時間質譜儀器中得到應用。

1、TDC總體結構與基本工作原理

　　TDC 系統主要由前端信號調理模塊、高速串并轉換模塊、高速時鐘產生模塊、FPGA 模塊、USB 接口模塊等部分組成,示于圖1 。信號調理模塊由數模轉換芯片MAX5525 和高速比較器ADCMP567 組成;高速串并轉換模塊主要由串并轉換芯片MAX3885 組成;高速時鐘產生模塊由AD 公司的時鐘產生芯片AD951721 組成;數據處理及控制模塊由XIL INX VIRTEX24 SX35FPGA 及相關外圍電路組成;USB2. 0 傳輸及控制模塊由Cyp ress 公司的CY7C68013 及相關外圍電路組成。

圖1 　TDC硬件結構圖

5、結論

　　根據飛行時間質譜儀器的應用背景,提出了一種基于高速串并轉換原理的多通道高精度時間-數字轉換器的設計方案,經實際制作與調試,本設計達到了預期的設計目標,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 已應用于廣州禾信分析儀器有限公司的飛行時間質譜儀器的相關實驗中,累計運行多于400 h ,體現了較高的可靠性。今后的重點將針對檢測動態范圍,最小時間分辨率和靈敏度等主要參數進一步優化。

　　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。

參考文獻:

　　[1] 　林延暢,王小斌,韓少敏,等. 一種時間-數字轉換NIM 插件的研制[J ] . 核電子學與探測技術,2008 ,28 (1) : 68270.
　　[2 ] 　王福源,楊玉葉,時　偉. 高分辨率時間數字轉換電路的PLD 實現[J] . 半導體技術, 2006 , (6) :4522455.
　　[3] 　宋　健,安　琪,劉樹彬. 基于PCI 總線的高精密時間間隔測量儀的研制[J] . 電子測量與儀器學報,2006 , 20 (3) : 40241.
　　[4 ] 　CHRISTIANSEN J , LJUSL IN C , MARCHIOROA. An intergrated 16 channel CMOS time to digital converter [ J ] . Nuclear Science Symp , 1993 ,6252629.
　　[5] 　潘　欣. 時間2數字轉換器在時間間隔誤差測量中的應用[J ] . 宇航計測技術, 2004 , (1) :53256.
　　[6] 　丁建國,沈國保,劉松強. 基于數字延遲線的高分辨率TDC 系統[ J ] . 核技術, 2005 , 28 ( 3 ) :1732175.
　　[7 ] 　張　延,黃佩誠. 高精度時間間隔測量技術與方法[J ] . 天文學進展, 2006 ,24 (1) :1215.
　　[8] 　MOTA M , CHRISTIANSEN J . A high2resolution time interpolator based on a delay locked loop and an RC delay line [J ] . IEEE Journal of SolidState Circuit s , 1999 ,34 (10) : 1 36021 366.
　　[9] 　MOTA M. Design and characterization of CMOShighresolution time-to-digital converter [D] . Universidade Téchica de Lisboa Instituto SuperiorTéchico , 2000.
　　[10] 　高　偉,黃正旭,郭長娟,等. 電子轟擊源垂直加速式飛行時間質譜儀的研制[ J ] . 質譜學報,2008 ,29 (4) :2092212.