基于飛行時(shí)間法的納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)研制

1 引 言

隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空間的等離子體成分探測(cè)顯得越來(lái)越重要，尤其對(duì)現(xiàn)在正在進(jìn)行的深空探測(cè)，如探月計(jì)劃。而空間等離子成分探測(cè)最主要的方法就是飛行時(shí)間法，既通過(guò)測(cè)量粒子飛過(guò)一定距離所需要的時(shí)間來(lái)鑒別粒子成分。

目前，國(guó)外在等離子體成分探測(cè)方面技術(shù)已經(jīng)很成熟，如1984年AMPTE／IRM上的超熱離子電荷分析器；1996年FAST上的飛行時(shí)間法能量角質(zhì)譜儀(TEAMS)，Cluster Ⅱ上的離子成分和分布函數(shù)分析器(CODIF)。然而在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)還剛剛處于起步階段，存在很多難點(diǎn)，其中最關(guān)鍵的就是：快電子學(xué)技術(shù)，也就是說(shuō)如何用電子學(xué)的方法測(cè)量出起始脈沖和停止脈沖之間的時(shí)間間隔，既粒子的飛行時(shí)間，約為納秒量級(jí)，將是整個(gè)等離子成分探測(cè)器的關(guān)鍵。也是目前國(guó)內(nèi)離子成分探測(cè)中所面臨的難題，為了能夠探索出一種測(cè)量這種納秒量級(jí)時(shí)間間隔的方法，首先必須模擬出來(lái)這種納秒量級(jí)的時(shí)間信號(hào)，從而找出一種測(cè)量該時(shí)間間隔的最好方法。本文將主要研究基于飛行時(shí)間法的納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成

納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)由CPU模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊三部分組成，其邏輯框圖如圖1所示。

其中CPU模塊主要功能是模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)、接收時(shí)間間隔測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)、FIFO緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的前提和控制中心。時(shí)間間隔測(cè)量模塊主要用來(lái)測(cè)量納秒量級(jí)的時(shí)間間隔，同時(shí)把時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸模塊接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。PC機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送指令到數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 CPU模塊

該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘模塊及配置電路組成。其中最主要的部分為FPGA芯片，它是整個(gè)CPU模塊的核心。

CPU模塊的主要功能：

(1)模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)。利用現(xiàn)有的技術(shù)方法模擬出來(lái)，時(shí)間間隔為納秒量級(jí)的脈沖信號(hào)，為驗(yàn)證后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

(2)接收時(shí)間間隔測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，將時(shí)間間隔測(cè)量模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部FIFO。

(3)FIFO緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸模塊。利用FPGA內(nèi)部的邏輯門(mén)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)2個(gè)4 kB的FIFO，用于緩存數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊。

(4)控制測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序。作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制中心，為后續(xù)的測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊提供時(shí)序控制和讀、寫(xiě)方式等。

其中模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)是整個(gè)CPU模塊的關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中，通過(guò)選用了Xilinx公司Virtex-2系列FPGA，利用其內(nèi)部的DCM(數(shù)字時(shí)鐘管理器，Digital Clock Manager)模塊將時(shí)鐘信號(hào)倍頻到300 MHz左右，通過(guò)計(jì)數(shù)的方法來(lái)產(chǎn)生起始脈沖和停止脈沖，從而產(chǎn)生納秒量級(jí)的時(shí)間間隔信號(hào)。

2.2 時(shí)間間隔測(cè)量模塊

時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。它的性能的好壞直接決定著時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的精度。本測(cè)量方案選用了德國(guó)ACAM公司的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP1。

該芯片采用44引腳TQFP封裝，具有TDC測(cè)量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測(cè)量單元及與8位處理器的接口單元4個(gè)主要功能模塊。其性能指標(biāo)如下：

①雙通道，250 ps的分辨率或者單通道125 ps的分辨率。

②每個(gè)通道可進(jìn)行四次采樣，排序則可達(dá)8次采樣。

③兩個(gè)通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns。

④有兩個(gè)測(cè)量范圍：3 ns～7.6μs；60 ns～200 ms(有前置配器，只使用于單通道)。

⑤雙通道的8個(gè)事件可以一個(gè)一個(gè)的任意測(cè)量，沒(méi)有最小時(shí)間間隔限制。