基于TDC-GPX的飞行时间质谱仪数据采集系统的设计与实现

发布时间：2017-05-13 13:22

  本文关键词：基于TDC-GPX的飞行时间质谱仪数据采集系统的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞行时间质谱仪（TOF-MS: Time-of-Flight Mass Spectrometer）是一种高分辨率、高灵敏度、分析速度快及理论上无质量检测上限的质谱仪，在同位素分析、基因及基因组学、核物理和环境科学等研究领域有广泛的应用。与国外相比，，国内关于TOF-MS的研究仍然在起步阶段，还没有成形的仪器产品，全部靠进口购买。国内对TOF-MS的数据采集系统的研究也相对较少，在性能上还有待于提高。目前大多数TOF-MS仪器的数据采集系统使用高精度的时间数字转换器（TDC: Time-to-digital converter）来测量离子的飞行时间，以实现对离子种类的辨别。TDC的性能影响飞行时间质谱仪的灵敏度和质量精度等参数，因此研究高性能的时间数字转换器对TOF-MS具有重要意义。 本文针对飞行时间质谱仪高分辨率、宽质量范围的特点，设计了一种基于TDC技术的高精度、大量程的数据采集系统。整个数据采集系统分为前端信号调理模块、时间数字转换模块和FPGA时序控制模块。前端信号调理模块首先对离子检测器的信号进行放大，通过比较器对放大后的信号进行幅度甄别来筛选离子信号，之后将筛选出的信号进行电平转换输出至TDC的stop通道；时间数字转换模块以德国ACAM公司生产的专用时间间隔测量芯片TDC-GPX为核心，负责测量离子飞行时间，测量后的数据传输至FPGA；FPGA时序控制模块负责系统的时序控制，采用自顶向下的结构进行程序的编写，程序主要由TDC-GPX的初始化与控制、FIFO数据缓存和USB2.0数据传输三个功能单元构成，其中USB2.0读写模块采用时分复用技术实现了双向数据传输。 系统测试结果表明，单通道测量精度小于100ps，测量范围大于500μs，可同时进行8个通道测量，对应一个start脉冲能够测量超过128个stop脉冲，可以满足飞行时间质谱仪数据采集系统的需求。此外，所设计的数据采集系统也适用于其他TOF系统中。
【关键词】：数据采集系统 时间数字转换器 飞行时间质谱仪 FPGA TDC-GPX
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH843;TP274.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 时间数字转换技术简介10-14
• 1.2.1 TDC 性能指标10-11
• 1.2.2 TDC 技术分类11-14
• 1.3 飞行时间系统中的 TDC 技术现状14-15
• 1.4 主要研究内容15-16
• 第2章 飞行时间质谱仪数据采集系统总体设计16-21
• 2.1 TOF-MS 数据采集系统方案选择16-19
• 2.1.1 ADC 采集系统16-17
• 2.1.2 TDC 采集系统17-19
• 2.2 总体设计19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 前端信号调理模块设计21-28
• 3.1 前端信号调理模块总体设计21-22
• 3.2 各功能单元电路设计22-26
• 3.2.1 电源电路22
• 3.2.2 放大电路22-23
• 3.2.3 比较器电路23-24
• 3.2.4 继电器控制电路24-25
• 3.2.5 ECL to LVTTL 电平转换电路25-26
• 3.3 模块测试26-27
• 3.4 本章小结27-28
• 第4章 时间数字转换模块设计28-40
• 4.1 TDC 芯片选型28-29
• 4.2 TDC-GPX 简介29-30
• 4.3 时间数字转换模块电路设计30-35
• 4.3.1 供电电路30-31
• 4.3.2 电容滤波电路31-32
• 4.3.3 与 FPGA 接口电路32-34
• 4.3.4 电路板的绘制34-35
• 4.4 TDC 性能测试35-39
• 4.4.1 单次击中精度测试35-36
• 4.4.2 TDC 线性度测试36-38
• 4.4.3 多次脉冲击中能力测试38-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 FPGA 时序控制模块设计40-61
• 5.1 FPGA 开发板简介40-41
• 5.2 FPGA 程序控制41-43
• 5.3 TDC-GPX 初始化与控制43-45
• 5.3.1 芯片参数设计43-44
• 5.3.2 接收数据计算44-45
• 5.4 FIFO 数据缓存45-48
• 5.4.1 FIFO 概述45-46
• 5.4.2 程序设计46-48
• 5.5 USB2.0 接口设计48-59
• 5.5.1 USB2.0 概述48-49
• 5.5.2 CY7C68013A 简介49-50
• 5.5.3 USB 固件设计50-54
• 5.5.4 USB 读写模块设计54-57
• 5.5.5 USB 接口测试57-59
• 5.6 数据采集系统整体测试59-60
• 5.7 本章小结60-61
• 第6章 总结61-63
• 6.1 本文主要工作及成果61-62
• 6.2 存在的问题及下一步工作建议62-63
• 参考文献63-67
• 作者简介67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘小桦;CSR强子探测器读出电子学方法研究[D];中国科学技术大学;2008年

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本文编号：362683