飞行时间质谱仪数据采集系统设计
来源：
/工作相关/Personnal/2017工作/质谱仪软件架构资料调研/质谱仪应用/飞行时间质谱仪数据采集系统设计_郭静.pdf作者：郭静，龙涛，包泽民，王培智，田地，刘敦一 期刊：分析测试学报，2014年12月，第33卷第12期，1426-1430页 DOI: 10.3969/j.issn.1004-4957.2014.12.017
摘要
针对飞行时间质谱仪高分辨率、宽质量范围的特点，设计了一种高精度、大量程的数据采集系统。系统对前端信号进行放大、幅度甄别和电平转换，使用专用时间间隔测量芯片 TDC-GPX 测量脉冲时间间隔，应用 FPGA 进行时序控制，通过 USB 2.0 接口与计算机连接，采用时分复用技术实现上位机对采集系统的控制及高速数据传输。
测试结果
| 性能指标 | 数值 |
|---|---|
| 单通道测量精度 | < 100 ps |
| 测量范围 | > 500 μs |
| 通道数 | 8 通道 |
关键词
飞行时间质谱仪；时间数字转换器（TDC）；数据采集；现场可编程门阵列（FPGA）
1. 总体设计
数据采集系统由以下模块构成：
- 前端信号调理模块
- TDC-GPX 时间数字转换电路
- FPGA 时序控制模块
- USB 2.0 接口电路
信号调理电路
- 放大器：CLC501AJP
- 比较器：AD96685BQ
- ECL-LVTTL 电平转换芯片
TDC 芯片
- 德国 ACAM 公司生产的 TDC-GPX 高性能时间间隔测量芯片
FPGA 核心板
- 型号：Cyclone IV EP40F23C8N
USB 接口芯片
- Cy7c68013a
测量原理
- start 信号：由脉冲发生器产生
- stop 信号：离子检测器输出的 NIM 信号经调理电路转换为 LVTTL 信号
- 最多可实现 8 个通道测量
- 信号调理电路存在 3.6 ns 固定延时，软件需扣除
2. 关键技术及其实现
2.1 前端信号调理
离子探测器输出信号一般为幅值在 0 ~ -800 mV 范围内的 NIM 信号。前端信号调理模块用于：
- 幅度甄别，实现信号筛选
- 将输出信号转换为 TDC-GPX 芯片能够识别的电平信号
工作过程：
- 离子检测器产生的负脉冲信号进入放大器进行反向放大
- 比较器工作在比较模式时，继电器将放大后的正脉冲信号以电容充电形式传输给比较器输入端
- 若输入电平超过比较器门限电压，比较器输出信号
3. 结论
本文设计的飞行时间质谱仪数据采集系统，采用 TDC-GPX 芯片与 FPGA 相结合的方案，实现了高精度、多通道的时间间隔测量，满足 TOF-MS 对数据采集系统的要求。相比商用 TDC 模块（如 TDC P7889、TDC 9353），该系统具有成本优势。
基金支持
国家重大科学仪器设备开发专项项目（2011YQ050069，2011YQ05006906）
通讯作者
田地，博士，教授，研究方向：分析仪器测控技术及软件 Tel: 0431-88502053，E-mail: tiandi@jlu.edu.cn
单位
- 吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春 130061
- 中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心，北京 102206