引 言

高精度的時間測量在高能粒子物理研究、深空通訊、激光測距和物質成分檢測等領域均有著廣泛的應用。而時間測量儀器快速、高精度、高靈敏度的特點決定其必須具有高時間分辨率和高靈敏度的數據采集及處理設備，目前最常用的有數字信號中和器（Digital Signal Averager）和高精度的時間數字轉換器（Time-to-digital converter，TDC）。其中TDC的原理是通過記錄一段時間內離子脈沖信號相對于觸發信號（start）的到達時間和數量，繼而判定粒子的種類及其含量。

但是TDC的原理決定了其固有的缺陷-“測量死區”，即當有多個粒子同時到達時，前端儀器（如飛行時間質譜儀）產生脈沖的幅度是與粒子的數量成正比的，但是TDC的原理決定了其只認為此時到達了一個粒子，從而丟失了幅度信息。故利用TDC進行定量分析時，就存在了“測量死區”。而利用超高速數字信號中和器進行測量時，由于可以同時采集到脈沖的幅度和時間信息，故可以進行高速、高時間分辨率的定量分析。

本文主要介紹了一種高精度數字信號中和器的設計與實現方法，其最小時間分辨率為333ps，測量時間范圍為0～20μs，系統死時間《50ns，并已在飛行時間質譜儀器中得到應用。

1 總體結構與基本工作原理

圖1所示為本系統整體硬件框圖，數字信號中和器主要由前端信號調理模塊、射頻采集模塊、高速時鐘產生模塊、FPGA模塊、USB接口模塊等部分組成。其中信號調理模塊主要由前置放大器ERA_1+和變壓器ADTL2_18組成。射頻采集模塊主要由ADC08D1500及相關外圍電路組成。高速時鐘產生模塊由ADI公司的時鐘產生芯片AD9517-4組成。數據處理及控制模塊由XILINX VIR-TEX-4 SX35 FPGA及相關外圍電路組成。USB2．0傳輸及控制模塊由Cypress公司的CY7C68013及相關外圍電路組成。

本數字信號中和器具有內、外觸發兩種工作模式。在內觸發工作模式下，由系統自身產生觸發（start）信號，并由觸發通道輸出電子引導脈沖信號，以引導質譜儀前端設備。而在外觸發工作模式下，系統采集外觸發信號的到達以作為轉換的開始。

當射頻采集模塊工作在單邊沿采樣時，通道I和通道Q為獨立的stop信號采集通道，最高采樣率為1．5GSPS；當射頻采集模塊工作在雙邊沿采樣時，通道I和通道Q只能有一個作為信號采集通道，最高采樣率為3GSPS。以外觸發、雙邊沿采樣工作模式為例。觸發通道采集外部觸發信號以作為轉換的時間起點，脈沖輸入信號經前置放大、電平轉換等信號調理后，進入射頻采集模塊。在雙邊沿工作模式下，高速時鐘產生電路提供1．5GHz的采樣時鐘，從而可以使射頻采集模塊的最高采樣率為3GSPS。ADC采樣的結果分DI、DQ、DID、DQD4組8bit差分信號以DDR的形式傳至FPGA，每組差分信號的速度為375MHz。FPGA啟動相應邏輯，以50us為一周期，連續采集1s，每周期內持續采樣時間20us。同時FPGA邏輯控制將不同周期內相同時刻的采樣點對應相加，從而得到1s內累加的質譜圖。最后FPGA通過USB控制邏輯將包含脈沖數量和到達時間信息的質譜圖通過USB2．0接口傳至PC以完成質譜圖的繪制和后端信號處理。由于射頻采集ADC的最高采樣速率為3GSPS，即可達到333ps的時間分辨率。針對不同的應用背景，射頻采集模塊的時鐘頻率可調，調節范圍為500MHz～3GHz，即時間分辨率為333ps～2ns可調。

2 系統重要模塊設計與實現

2．1 前端信號調理模塊

在氣體行業檢測的應用中，飛行時間質譜儀器中離子探測器的輸出信號一般為NIM信號，幅值在0～-100mv，而超過此范圍的大信號通常為H2O+及OH+等飽和信號，對測量結果影響不大，故不予考慮。由于輸入信號幅度較小，為提高測量測量精度并充分利用ADC的量化范圍（650mV），設計中在采集通道的信號調理模塊利用微波管Mini ERA_1+完成前置放大。ERA_1+的3dB帶寬為DC～8GHz，內部與50歐傳輸線匹配，最大增益12dB。同時，由于ADC08D1500要求差分輸入，故信號調理模塊在前置放大后利用射頻變壓器Mini ADTL2_18完成單端信號到差分信號的轉換。圖2所示為采集通道信號調理模塊結構圖。

觸發通道和外時鐘輸入通道的信號調理模塊主要由雙向緩沖器及電平轉換芯片組成，不再贅述。

2．2 射頻采集模塊

在本系統的應用背景中，輸入脈沖信號的最小時間間隔為400ps，故要求射頻采集模塊的采樣間隔小于400ps。設計中采用國家半導體公司的模數轉換器ADC08D1500來構建射頻采集模塊，ADC08D1500為8bit雙通道超高速模數轉換器：在單邊沿采樣模式下，最高采樣率為1.5GSPS；在雙邊沿采樣（交錯采樣）模式下，最高采樣率為3GSPS，即時間分辨率為333ps，滿足設計要求。

2．3 高速時鐘產生模塊

為保證測量脈沖時間間隔的精度，射頻采集模塊需要一個高時間穩定度、最高頻率為1．5GHz的轉換時鐘。為此，TDC選用集成鎖相環芯片AD9517-4來產生時鐘信號。AD9517-4是一個集成PLL頻率合成器與時鐘分配器，時鐘穩定度《20ppm。在本系統中AD9517-4的輸出頻率調節范圍為500MHz～1．5GHz，對應系統時間分辨率為333ps～2ns可調。

2．4 USB2．0模塊

為了降低數字信號中和器對PC硬件配置的要求和數字信號中和器本身的便攜性，設計中采用USB2．0接口來實現數字信號中和器與PC問的數據傳輸。在氣體檢測的應用中，飛行時間質譜儀器中的離子飛行時間較短，每秒采樣的數據量較少（為幾十KHz），而利用集成USB2．0控制芯片CY7C68013可實現最高為48Mbyte／s的數據傳輸速度，故可以滿足傳輸速度的要求。

3 基于FPGA的數據處理

圖3所示為數字信號中和器的FPGA硬件算法設計框圖。設計中將硬件程序劃分為AD采樣緩存單元、累加器單元、存儲器控制單元、USB控制單元。

3．1 A／D采樣緩存單元

A／D采樣緩存單元控制外部A／D芯片，并實現內部定時，每50us啟動一次數據采集，每次數據采集持續時間20μs。并將采樣數據存放在一深度為4的緩存中，緩存中的數據由累加器單元進行后續處理。

3．2 累加器單元

圖4所示為累加器算法流程。當A／D采樣緩存單元中的緩存有數據時，讀取緩存中數據，一次讀取32個采樣點，將采樣結果和存儲器中對應地址的數據相加，并將累加再次寫入存儲器中的對應地址。

3．3 存儲器控制單元

圖5所示為存儲器算法流程。存儲器控制單元內部包含了兩個存儲體。任一時刻，兩個存儲體分別由累加器單元控制，實現數據累加；或由USB控制單元控制，將存儲體中的數據傳輸至上位機。由存儲器控制單元進行控制，兩個存儲器進行乒乓操作，每秒進行一次切換，即每秒完成一濃累加循環。

3．4 USB控制單元

USB控制單元在每完成一秒的數據累加后，啟動一次數據傳輸，數據傳輸就是由USB控制單元讀取存儲體中的計算結果，將結果寫入USB控制器中。并在讀取存儲體中數據的同時，將存儲體中的數據清0，為下一次數據累加做準備。

4 測試結果

本設計中射頻采集部分的采樣時鐘為1．5GHz，故在交錯采樣模式下，ADC的采樣率為3GSPS。因而ADC的采樣間隔為1/3GSPS=333ps，即時間間隔大于333ps的信號即可為系統所分辨，測量。實際測試中采用延遲線測量法進行時間分辨率的測試。時間分辨率測試數據如表1所示。

設計中采用FPGA內部的BlockRAM作為存儲累加單元，限于BlockRAM的容量和硬件算法的設計，本系統的測量時間范圍為0～20us，即在一個測量周期內只測量觸發信號后20us內的信號。

5 結束語

根據飛行時間質譜儀器的應用背景，本文提出了一種基于超高速模數轉換技術的高精度數字信號中和器的設計與實現方案，經實際制作與調試，本設計達到了預期的設計目標，時間測量范圍為0～20us，實際測試最小時間分辨率為334ps，線性度良好。目前，該數字信號中和器已應用于飛行時問質譜儀器的相關實驗中。今后的重點將針對檢測動態范圍、最小時間分辨率和靈敏度等主要參數進一步進行優化。

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