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飞行时间质谱仪数据获取系统设计

作　者: 郑伟
导　师: 安琪；刘树彬
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 飞行时间质谱仪数据获取并行交替采样ADC DDR PCI DMA
分类号: TH843
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 217次
引　用: 3次
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内容摘要

飞行时间质谱仪因其可检测分子量范围大、扫描速度快以及仪器结构简单等特点在化学分析、有机分析和同位素检测等方面有着广泛的应用。飞行时间质谱仪要实现较大的测量动态范围和较强的分辨能力,其数据获取系统必须要能够精细地记录下离子检测器输出的离子脉冲信号的形状,这对数据获取系统的采样率、分辨率和数据缓存能力都提出了更高的要求。本论文的工作针对飞行时间质谱仪高分辨、高动态范围的要求,并结合中国计量科学研究院的具体需求,采用超高速ADC记录离子质谱峰的方法,研制了基于PCI局部总线的2Gsps高速数据获取系统。设计中采用了并行交替采样ADC技术,用两个1Gsps的ADC通道交替采样实现等效的2Gsps的超高速数据采集,并在软件中通过数字后处理算法修正通道间的失配误差,提高系统的信噪比和有效位;对所有模拟和数字的信号传输通道均进行全差分处理,以保证信号在恶劣电磁环境中的传输质量;采用DDR数据存储技术实现高速的数据缓存;使用可编程逻辑器件FPGA实现低成本、高集成度的数据缓冲和总线接口电路;实现了PCI插卡的主设备功能和DMA传输功能,实现了高速的总线数据传输。论文第一章介绍了飞行时间质谱仪及其数据获取的相关背景。第二章介绍了数据获取系统和数据获取的核心——模拟/数字变换技术。第三章和第四章分别对此次设计的数据获取系统的研制方案和具体技术细节展开讨论。第五章展示系统的测试结果;最后一章总结了本论文的设计工作,并展望此类数据获取系统的发展方向。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究背景  8-13
    1.1.1 飞行时间质谱仪简介  8-10
    1.1.2 飞行时间质谱仪举例  10-11
    1.1.3 飞行时间质谱仪的数据获取  11-13
  1.2 本论文的工作和结构  13-14
  本章参考文献  14-15
第二章数据获取简介  15-33
  2.1 数据获取系统  15-16
  2.2 模拟/数字变换  16-32
    2.2.1 A/D 变换原理  17-21
      2.2.1.1 采样  17-20
      2.2.1.2 量化  20-21
    2.2.2 ADC 的分类  21-26
      2.2.2.1 并行比较型ADC  22-24
      2.2.2.2 逐次比较型ADC  24
      2.2.2.3 增量调制型ADC  24-26
    2.2.3 ADC 的性能指标  26-32
      2.2.3.1 ADC 静态性能指标  27-29
      2.2.3.2 ADC 动态性能指标  29-32
  本章参考文献  32-33
第三章数据获取系统设计方案  33-53
  3.1 设计方案的基本考虑  33-38
  3.2 系统设计方案  38-52
    3.2.1 基于PCI 总线的设计  39-41
    3.2.2 模拟信号的调理  41-43
    3.2.3 ADC 的选择  43-44
    3.2.4 采样时钟  44-48
      3.2.4.1 时钟信号的质量  44-46
      3.2.4.2 孔径抖动  46-47
      3.2.4.3 高精度采样时钟的产生  47-48
    3.2.5 数据缓存  48-49
    3.2.6 FPGA 的选择  49-50
    3.2.7 数据获取软件  50-52
  本章参考文献  52-53
第四章数据获取系统电子学设计  53-78
  4.1 模拟/数字转换模块  53-59
    4.1.1 模拟信号调理电路  53-54
    4.1.2 ADC 芯片的使用  54-55
    4.1.3 ADC 工作模式  55-56
    4.1.4 ADC 配置  56-58
    4.1.5 采样时钟的产生  58-59
  4.2 数据接收和缓冲模块  59-64
    4.2.1 FPGA 的使用  59-61
    4.2.2 LVDS 接收和串并转换  61-63
    4.2.3 数据缓冲  63-64
  4.3 板载存储器模块  64-68
    4.3.1 DDR 存储器的接口信号  64-65
    4.3.2 DDR 存储器的读写控制  65-68
  4.4 PCI 总线控制模块  68-72
    4.4.1 PCI 接口信号  68-69
    4.4.2 PCI 接口控制逻辑  69-71
    4.4.3 DMA 传输的实现  71-72
  4.5 触发功能模块  72-74
  4.6 PCB 布板的考虑  74-77
    4.6.1 叠层  74
    4.6.2 电源和地  74-77
  本章参考文献  77-78
第五章系统测试  78-95
  5.1 ADC 性能测试  78-93
    5.1.1 双通道交替采样的性能测试  79-87
      5.1.1.1 并行交替模式下的动态性能  79-85
      5.1.1.2 并行交替模式下的静态性能  85-87
    5.1.2 单通道采样的性能测试  87-93
      5.1.2.1 单通道采样模式下的动态性能  87-91
      5.1.2.2 单通道采样模式下的静态性能  91-93
  5.2 PCI 总线数据传输带宽测试  93-95
第六章总结与展望  95-98
  6.1 总结  95
  6.2 展望  95-97
  本章参考文献  97-98
附录  98-99
攻读学位期间发表的论文  99-100
致谢  100

飞行时间质谱仪数据获取系统设计

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