高精度數(shù)字信號(hào)中和器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
高精度的時(shí)間測(cè)量在高能粒子物理研究、深空通訊、激光測(cè)距和物質(zhì)成分檢測(cè)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。而時(shí)間測(cè)量?jī)x器快速、高精度、高靈敏度的特點(diǎn)決定其必須具有高時(shí)間分辨率和高靈敏度的數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備，目前最常用的有數(shù)字信號(hào)中和器(Digital Signal Averager)和高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-digital converter，TDC)。其中TDC的原理是通過記錄一段時(shí)間內(nèi)離子脈沖信號(hào)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)(start)的到達(dá)時(shí)間和數(shù)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(cè)量死區(qū)”，即當(dāng)有多個(gè)粒子同時(shí)到達(dá)時(shí)，前端儀器(如飛行時(shí)間質(zhì)譜儀)產(chǎn)生脈沖的幅度是與粒子的數(shù)量成正比的，但是TDC的原理決定了其只認(rèn)為此時(shí)到達(dá)了一個(gè)粒子，從而丟失了幅度信息。故利用TDC進(jìn)行定量分析時(shí)，就存在了“測(cè)量死區(qū)”。而利用超高速數(shù)字信號(hào)中和器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于可以同時(shí)采集到脈沖的幅度和時(shí)間信息，故可以進(jìn)行高速、高時(shí)間分辨率的定量分析。
本文主要介紹了一種高精度數(shù)字信號(hào)中和器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，其最小時(shí)間分辨率為333ps，測(cè)量時(shí)間范圍為0～20μs，系統(tǒng)死時(shí)間50ns，并已在飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器中得到應(yīng)用。

1 總體結(jié)構(gòu)與基本工作原理
圖1所示為本系統(tǒng)整體硬件框圖，數(shù)字信號(hào)中和器主要由前端信號(hào)調(diào)理模塊、射頻采集模塊、高速時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、FPGA模塊、USB接口模塊等部分組成。其中信號(hào)調(diào)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(guān)外圍電路組成。高速時(shí)鐘產(chǎn)生模塊由ADI公司的時(shí)鐘產(chǎn)生芯片AD9517-4組成。數(shù)據(jù)處理及控制模塊由XILINX VIR-TEX-4 SX35 FPGA及相關(guān)外圍電路組成。USB2．0傳輸及控制模塊由Cypress公司的CY7C68013及相關(guān)外圍電路組成。

本數(shù)字信號(hào)中和器具有內(nèi)、外觸發(fā)兩種工作模式。在內(nèi)觸發(fā)工作模式下，由系統(tǒng)自身產(chǎn)生觸發(fā)(start)信號(hào)，并由觸發(fā)通道輸出電子引導(dǎo)脈沖信號(hào)，以引導(dǎo)質(zhì)譜儀前端設(shè)備。而在外觸發(fā)工作模式下，系統(tǒng)采集外觸發(fā)信號(hào)的到達(dá)以作為轉(zhuǎn)換的開始。
當(dāng)射頻采集模塊工作在單邊沿采樣時(shí)，通道I和通道Q為獨(dú)立的stop信號(hào)采集通道，最高采樣率為1．5GSPS；當(dāng)射頻采集模塊工作在雙邊沿采樣時(shí)，通道I和通道Q只能有一個(gè)作為信號(hào)采集通道，最高采樣率為3GSPS。以外觸發(fā)、雙邊沿采樣工作模式為例。觸發(fā)通道采集外部觸發(fā)信號(hào)以作為轉(zhuǎn)換的時(shí)間起點(diǎn)，脈沖輸入信號(hào)經(jīng)前置放大、電平轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理后，進(jìn)入射頻采集模塊。在雙邊沿工作模式下，高速時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供1．5GHz的采樣時(shí)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(jié)果分DI、DQ、DID、DQD4組8bit差分信號(hào)以DDR的形式傳至FPGA，每組差分信號(hào)的速度為375MHz。FPGA啟動(dòng)相應(yīng)邏輯，以50us為一周期，連續(xù)采集1s，每周期內(nèi)持續(xù)采樣時(shí)間20us。同時(shí)FPGA邏輯控制將不同周期內(nèi)相同時(shí)刻的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)相加，從而得到1s內(nèi)累加的質(zhì)譜圖。最后FPGA通過USB控制邏輯將包含脈沖數(shù)量和到達(dá)時(shí)間信息的質(zhì)譜圖通過USB2．0接口傳至PC以完成質(zhì)譜圖的繪制和后端信號(hào)處理。由于射頻采集ADC的最高采樣速率為3GSPS，即可達(dá)到333ps的時(shí)間分辨率。針對(duì)不同的應(yīng)用背景，射頻采集模塊的時(shí)鐘頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為500MHz～3GHz，即時(shí)間分辨率為333ps～2ns可調(diào)。

2 系統(tǒng)重要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 前端信號(hào)調(diào)理模塊
在氣體行業(yè)檢測(cè)的應(yīng)用中，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀器中離子探測(cè)器的輸出信號(hào)一般為NIM信號(hào)，幅值在0～-100mv，而超過此范圍的大信號(hào)通常為H2O+及OH+等飽和信號(hào)，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，故不予考慮。由于輸入信號(hào)幅度較小，為提高測(cè)量測(cè)量精度并充分利用ADC的量化范圍(650mV)，設(shè)計(jì)中在采集通道的信號(hào)調(diào)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(nèi)部與50歐傳輸線匹配，最大增益12dB。同時(shí)，由于ADC08D1500要求差分輸入，故信號(hào)調(diào)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(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖2所示為采集通道信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖。