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基于TDC-GPX的粒子飞行时间测量系统飞行时间质谱仪通过测量粒子的飞行时间来实现对粒子的鉴别，为了实现较好的粒子分辨能力，仪器的数据采集系统需要高精度，大量程并且具有多次击中能力的时间数字转换器来实现。系统测量原理1）抽头延迟线法测量基本原理设计的系统采用抽头延迟线法进行时间间隔测量,它是一种全数字的高精度时间间隔测量方式,利用电信号传输经过电子元件与连接导线时,必定产生时间延迟作用的现象作为测量时间间隔的手段。图1是一个抽头延时电路的基本结构示意图,利用输出逻辑状态随着输入改变的逻辑缓冲门作为延时用的基本元件。图1抽头延迟线电路结构2)TDC-GPX芯片概述TDC-GPX是德国ACAM公司推出的一款高精度时间间隔测量芯片，其测量精度最高可达到10ps。TDC-GPX具有多种测量模式、很高的测量重复频率、短暂的死区时间以及时钟控制等特殊功能。图2为TDC-GPX的内部结构框图，TDC-GPX内部主要由脉冲输入单元、时间测量单元、数据缓存单元、时钟控制单元、温度控制单元、配置寄存器以及与外部控制相接的并行数据接口等部分组成。TDC-GPX有I、G、R和M4种测量模式，每种模式的测量分辨力、测量的脉冲数以及测量的通道数都不尽相同，可以针对不同的要求选用不同的测量模式。图2TDC-GPX内部结构框图粒子飞行时间测量系统的实现1)时间间隔测量系统总体设计测量系统以TDC-GPX为核心器件，使用红色飓风II代的开发板进行整体时序的控制。系统框图如图3所示，测量系统可以对两路差分输入以及LVTTL输入脉冲信号进行测量，FPGA对GPX进行初始化，控制芯片测量过程，测量结果经过缓冲区后再由串口发送到计算机。图3时间间隔测量系统硬件框图2)GPX-TDC芯片参数设计考虑到飞行时间质谱仪需要较大量程的时间数字转换器以检测到大分子的飞行时间，本文选用TDC-GPX的I模式进行测量。I模式有1路start输入，8路stop输入，对应于一次start输入，每路stop输入可以连续测量32个stop脉冲，每通道的典型精度为81皮秒，使用内部的start再触发可以进行无限测量模式。由于质量数为500的粒子在设计的飞行时间质量分析器中需要飞行472.011us的时间，因此在芯片中设置一个512us的时间窗以保证能够测量大分子的飞行时间，若start信号触发后超过512us，FPGA便对TDC-GPX进行复位，准备下一次测量。3)FPGA时序控制在该系统中，采用VerilogHDL编写的程序来实现对FPGA的时序控制，程序功能主要分为对TDC-GPX的初始化与控制、数据缓存以及通用串行接口控制器三个模块。受串口传输速率的限制，为防止数据的丢失，本系统设置一28bit*255的FIFO来提高接口数据的吞吐量。图4系统程序流程图系统的程序流程图如图4所示，FPGA首先对GPX上电复位，清零各存储单元，配置寄存器，然后对TDC-GPX进行主复位（主复位是一种除了配置寄存器以外的复位，这样做是为了保证GPX的重复测量）。之后TDC-GPX便开始测量，当芯片检测到start信号后，芯片内部开始计时，若在512us的时间窗内没有检测到stop信号，芯片中断标志置位，FPGA对芯片进行主复位重新测量；若在512us的时间窗内检测到stop信号，将测量数据写入FIFO中，最终再由串口发送从FIFO中读出的测量数据至PC中。测试数据与分析1）stop脉冲分辨测试采用仪器精度为250ps的BNCModel575脉冲/延迟发生器作为脉冲源，设定8ns的脉冲宽度，同时产生两路时间间隔为250ps的stop信号（50ns和50.25ns)分别接入stop通道1和stop通道2，测量数据如表1，实验结果表明TDC-GPX对时间间隔为250ps的信号具有分辨能力。表1同时测量间隔为250ps时间脉冲测量数据1234567平均值Stop1(ns)50.20574550.20574550.288049550.20574550.20574550.37035450.20574550.241018Stop2(ns)50.04113650.04113650.04113650.04113650.04113650.20574550.04113650.0646522)单次击中精度测试精度测试方案需要一个稳定且可调节的时间间隔作为测试源，本系统采用电缆延时的方法来产生两路相关的脉冲信号。由BNCModel575脉冲/延时发生器产生一个窄脉冲信号作为触发信号，触发信号直接进入时间测量系统的start通道，用不同长度的同轴电缆对触发信号进行延时来产生stop信号，模拟飞行粒子接受器产生的信号，如图5所示。图5延时产生电路示意图已知每米同轴电缆的延时为4.83ns，分别用3.1m、5.2m和8.3m的同轴电缆产生延时，故产生的延时分别为14.973ns、25.166ns和40.089ns，分别对每组延时做100次测量，测试结果如表2所示。分析数据可知，单次击中精度小于100ps，可以实现飞行时间质谱仪的粒子鉴别。表2标准时基测试结果标准时间间隔T(ns)最小值Tmin(ns)最大值Tmax(ns)平均测量值Tavg(ns)标准差σ(ps)14.97314.89715.14414.99861.89725.16625.10325.35025.21274.10140.08939.91840.24640.14686.037