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飞行时间质谱仪数据获取系统的研究与设计

作　者: 叶春逢
导　师: 安琪
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 飞行时间质谱仪时间测量时间内插时间数宁转换恒比定时FPGA
分类号: TH843
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

飞行时间质谱仪是探测物质结构的一种常用工具。质谱数据获取系统是飞行时间质谱仪的核心部件之一,其性能指标对质谱仪性能有着重要的影响。本论文以国家同步辐射实验室宽压力层流预混火焰实验平台(简称火焰实验平台)的飞行时间质谱仪数据读出电子学为需求,开展高精度大测量范围时间测量技术研究,设计了完整的飞行时间质谱仪数据获取系统,主要包括：快定时放大器、质谱数据采集板、质谱数据获取系统软件。目前,飞行时间质谱仪的数据获取系统主要有两条技术路线,一是基于高速模拟数字转换(ADC)技术；二是基于时间数字转换(TDC)技术。高精度时间测量对高速ADC的采样速率、数据传输带宽以及数据处理能力要求较高,并且在离子信号事件率不高的时候,其使用效率较低。本课题则采用TDC技术进行质谱仪数据获取系统的设计。TDC设计可以基于模拟电路方法或专用集成电路(ASIC)的方法进行,然而,采用模拟的方法很难进行高集成度设计,调试也较为麻烦；采用ASIC方式则需要较长的设计周期,其功能和设计模式固定并且很难快速升级。本设计的定时甄别电路采用恒比定时电路结构,时间测量基于多相时钟的时间内插技术构建细时间测量单元,并通过多级时间数据缓冲技术将粗时间测量时钟频率进一步降低。粗时间测量单元则由计数器来执行。整个系统在单片FPGA内完成。经测试,本数据获取系统的时间测量范围不小于107s；在采样时钟为320MHz时,基于四相时钟的时间内插设计,其分辨率为781ps,RMS好于390ps,平均RMS为304ps,DNL在-0.01LSB到+0.01LSB之间,INL在-0.002LSB到+0.025LSB之间；基于八相时钟的时间内插设计,其分辨率为390ps,RMS好于195ps,平均RMS在150ps左右,DNL在-0.10LSB到+0.05LSB,INL在-0.10LSB到+0.01LSB之间。在质谱数据获取系统与火焰实验平台的联合测试中,待测样品甲苯、丙酮和正庚烷的质谱测试结果表明本设计完全满足设计需求。各章节内容如下：第一章对飞行时间质谱仪的关键技术发展进行回顾,并阐述本论文的研究目的和基本构想。第二章介绍了飞行时间质谱仪的原理,对影响质谱分辨率的各种因素进行探讨。同时,对飞行时间质谱仪数据获取系统的两种主要技术路线在这里进行了分析。第三章介绍了常用定时甄别方法和常用时间测量方法,并以此为基础,对时间内插测量方法和基于FPGA的时间测量方法进行探讨。第四章是系统方案设计和实现的部分。先是阐述了系统设计指标,接着对快定时放大器设计方案、定时系统方案、基于FPGA的多相时钟时间内插高精度时间测量方案、软件系统等部件的设计进行描述。为了评估系统的指标和性能,第五章介绍了主要电子学模块的测试性能指标和测量方法,并将质谱仪数据获取系统和火焰实验平台构建完整系统进行联合测试,并根据获取到的待测样品的质谱对本系统进行评估。第六章为论文的总结,并对下一步工作进行展望。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章引言  12-22
  1.1 质谱分析法及飞行时间质谱仪的发展  12-15
    1.1.1 质谱分析法分类  12-13
    1.1.2 飞行时间质谱仪关键技术发展  13-14
    1.1.3 小型化飞行时间质谱仪的发展  14-15
  1.2 研究目的与基本构想  15-18
  参考文献  18-22
第二章飞行时间质谱仪系统  22-46
  2.1 飞行时间质谱仪的基本原理  22-33
    2.1.1 飞行时间质谱仪工作原理  22-27
    2.1.2 影响TOF MS性能的主要因素  27-33
  2.2 飞行时间质谱仪数据获取系统主要技术路线  33-39
    2.2.1 基于模拟波形观测方法的早期质谱数据获取技术  33-35
    2.2.2 时间数字转换技术  35-37
    2.2.3 波形数字化技术  37-39
  2.3 小结  39-40
  参考文献  40-46
第三章高精度时间测量方法  46-76
  3.1 定时甄别方法  46-59
    3.1.1 前沿定时甄别技术  46-52
      3.1.1.1 前沿定时误差分析  47-49
      3.1.1.2 前沿定时误差修正  49-52
    3.1.2 过零定时甄别技术  52
    3.1.3 恒比定时甄别技术  52-58
      3.1.3.1 选择延迟时间△t和衰减系数A  54-56
      3.1.3.2 恒比定时噪声抑制  56-58
    3.1.4 其他定时甄别技术  58-59
  3.2 时间数字转换技术  59-69
    3.2.1 TDC主要性能参数  59-60
    3.2.2 TDC方法  60-67
      3.2.2.1 “粗”时间测量  61-63
      3.2.2.2 “细”时间测量  63-66
      3.2.2.3 时间内插法TDC  66-67
    3.2.3 基于时间内插的FPGA TDC设计  67-69
  3.3 波形数字化技术  69
  3.4 小结  69-71
  参考文献  71-76
第四章飞行时间质谱仪数据获取系统的设计  76-118
  4.1 系统总体设计方案  76-79
  4.2 快定时放大电路的设计  79-88
    4.2.1 运算放大器的结构及放大特性  79-85
    4.2.2 几种设计方案对比  85-88
  4.3 定时甄别电路的设计  88-99
    4.3.1 Start通道定时甄别电路的设计  88-90
    4.3.2 Stop通道时间甄别器的实现  90-99
  4.4 基于FPGA的TDC设计  99-110
    4.4.1 TDC总体设计  101
    4.4.2 多相时钟的实现  101-104
    4.4.3 基于多相时钟时间内插采样  104-105
    4.4.4 时间缓冲  105-107
    4.4.5 编码单元  107
    4.4.6 时间输出  107-110
  4.5 FPGA在线配置功能  110
  4.6 Windowed TDC  110-113
  4.7 软件系统的设计  113-115
  4.8 小结  115-116
  参考文献  116-118
第五章系统性能测试与分析  118-146
  5.1 测试参数和目标  118
  5.2 系统测试的基本方法  118-120
    5.2.1 系统测试的基本方法  118-119
    5.2.2 测试使用主要仪器的基本性能指标  119-120
  5.3 实验室主要模块电子学性能测试  120-137
    5.3.1 过压保护电路性能测试  120-122
    5.3.2 快定时放大器的性能测试  122-127
      5.3.2.1 带宽性能测试  122-123
      5.3.2.2 线性性能测试  123-124
      5.3.2.3 噪声性能测试  124-125
      5.3.2.4 小信号性能测试  125
      5.3.2.5 边沿特性测试  125-127
    5.3.3 TDC性能测试  127-137
      5.3.3.1 非线性测试  127-131
      5.3.3.2 时间测量精度测试  131-136
      5.3.3.3 平均码宽测试  136
      5.3.3.4 死时间测试  136-137
  5.4 PCI总线性能测试  137-138
  5.5 质谱系统联合测试  138-143
    5.5.1 信号源模拟质谱联合测试  138-139
    5.5.2 质谱系统现场联合测试  139-143
  5.6 小结  143-144
  参考文献  144-146
第六章总结与展望  146-148
  6.1 总结  146-147
  6.2 展望  147-148
附录一 TOF MS数据获取系统硬件图  148-150
附录二 TOF MS数据获取系统寄存器  150-154
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  154
待发表文章  154-156
致谢  156

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