0 引言

    飛行時間二次離子質譜(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS)是當今用于表面化學分析的重要技術手段^[1]，適用于地質學、食品化學、臨床醫療和材料化學等眾多領域，具有分析速度快、分辨率高以及對樣品幾乎無損傷等特點^[2-3]。數據采集系統用于采集儀器輸出信號，并對離子數量進行還原，是TOF-SIMS儀器的關鍵部件，其對離子數量的還原程度會直接影響儀器的精度等參數^[4]，是TOF-SIMS用于高精度分析的瓶頸之一。

    TOF-SIMS數據采集技術主要包括：模擬數字轉換 (Analog-to-Digital Conversion，ADC)和時間數字轉換(Time-to-Digital Conversion，TDC)^[5]。由于早期ADC采樣率和分辨率等核心參數指標的限制，TOF-SIMS多數采用TDC技術來實現數據采集。TDC可以記錄每個離子的飛行時間，具有結構簡單以及數據量小的優勢，為TOF-SIMS儀器的發展起到了重要推動作用。但TDC由于死區時間(Deadtime)的限制^[6]，當多個離子幾乎同時到達檢測器時，只能檢測出一個離子信號，造成采集數據的缺失，影響儀器精度^[7]。隨著電子技術的發展，ADC的采樣率和分辨率得到大幅度提升，使ADC技術應用于TOF-SIMS成為可能。與TDC相比，高速ADC不受死區時間影響并且動態范圍廣^[8]，可有效提高儀器精度。故將ADC技術應用于TOF-SIMS成為亟待解決的關鍵問題。

    本文采用高速ADC芯片和PCI-Express（簡稱PCIE）總線，設計了一套適用于TOF-SIMS儀器的高速數據采集系統。

1 總體方案設計

    TOF-SIMS儀器輸出的離子信號半峰寬為4～7 ns，若想準確地還原離子數量，得到更精準的采集數據，則要求ADC芯片采樣率不低于500 MS/s，分辨率高于8 bit；系統采集的數據需要高速傳輸到PC端，要求數據總線傳輸速度大于500 MB/s。

    根據上述指標要求，設計了此數據采集系統。系統由寬頻帶差分調理電路、高速A/D轉換模塊、FPGA時序控制單元、DDR3 SDRAM外部存儲器和PCIE總線等部分構成。總體設計如圖1所示。調理電路首先將離子信號進行差分放大，調理后的信號進入高速A/D模塊進行數據采集轉換，FPGA接收到采集數據后，將數據送入DDR3 SDRAM外部存儲模塊中進行數據的緩存處理，待上位機發出采集指令后，將DDR3 SDRAM中的數據讀出，通過PCIE總線將數據傳輸至上位機。

2 主要模塊設計

2.1 寬頻帶差分調理電路

    TOF-SIMS儀器輸出的離子信號為單端信號，而高速模數轉換器的輸入端為差分輸入，在采集之前，首先需要進行信號的調理，而離子信號頻率最高可達300 MHz，要求調理電路帶寬必須高于此頻率，才能保證信號的完整性。調理電路的核心為TI公司的LMH5401全差動放大器，電路如圖2所示。該芯片帶寬最高可達1 GHz，并可直接將單端信號轉換成差分信號，滿足設計需求。而且差動放大器具有很好的抗干擾能力，可有效提高ADC信噪比等重要參數。

2.2 高速A/D轉換模塊

    高速A/D模塊是系統的核心部分，主要作用是將離子信號轉換成FPGA可接收的數字信號。系統使用的高速ADC為TI公司的ADC12D1600芯片。該芯片是新一代高速模數轉換器，分辨率為12位，可實現雙通道1.6 GS/s采樣率和單通道3.2 GS/s采樣率，采用差分輸入，LVDS電平輸出，ADC的工作模式可以通過片上SPI總線進行編程配置。在設計時，將ADC配置為單通道交替采樣模式，即采樣率為3.2 GS/s，并在ADC輸出端使用1:2分路器將數據降速，以便于FPGA接收。ADC采樣時鐘為1.6 GHz，由TI公司的LMX2531高性能頻率合成器產生。高速A/D轉換模塊電路如圖3所示。其中，DI+、DI-為I通道的輸出數據，DQ+、DQ-為Q通道的輸出數據，當選擇1:2分路器降速時，輸出數據的速率降為時鐘頻率的一半，即800 MHz；DCLK+和DCLK-是ADC提供給FPGA的同步時鐘，時鐘頻率與輸出數據頻率相同，FPGA使用此時鐘接收ADC的輸出數據。

2.3 FPGA時序控制單元

    FPGA是系統的時序控制器，主要模塊包括：ADC控制模塊、時鐘管理模塊、異步FIFO模塊、DDR3控制模塊和PCIE模塊等，FPGA時序控制單元如圖4所示。對高速ADC芯片的配置全部由ADC時序控制模塊實現，該模塊產生的串行數據配置ADC內部的控制寄存器，實現ADC采樣模式的選定、內部設置校準和通道輸出偏移量調整等功能。采用Xilinx公司的MMCM（混合模式時鐘管理器）IP核生成FPGA單元各模塊所需時鐘，主要有 ADC芯片的SPI總線接口時鐘，頻率為15 MHz；PCIE IP核的參考時鐘，頻率為100 MHz；DDR3存儲器輸入時鐘，頻率為200 MHz。異步FIFO可緩沖和存儲系統采集的高速數據，并用于解決不同時鐘域之間的數據同步問題，可保證數據能夠正確傳輸。DDR3 模塊用于控制外部存儲器的讀寫操作。PCIE總線控制模塊負責接收和發送外部存儲器的數據以及上位機的指令信息。

2.4 PCIE DMA控制器

    為了保證數據傳輸時的完整性與實時性，本文采用PCIE總線作為數據傳輸總線，并在FPGA內部設計了DMA（直接內存存取）控制器，采用DMA模式實現系統與PC之間的高速數據傳輸。DMA控制器的主要作用是接收和發送帶有各種事物類型的事物層數據包(TLP)^[9]，控制器包括：發送模塊、接收模塊和DMA控制模塊。發送模塊用于組裝、發送TLP包；接收模塊的作用是接收并拆解來自PC端的TLP包；DMA控制模塊包括兩部分，一部分是DMA寄存器，另一部分是DMA狀態寄存器。DMA控制模塊是PC與采集系統通信的主要模塊，也是DMA操作的主要控制部分。

3 實驗測試

3.1 寬頻帶差分調理電路測試

    調理電路采用Tektronix DPO3034數字示波器進行測試。該示波器采樣率為2.5 GS/s，帶寬為300 MHz。測試過程如下：將TOF-SIMS離子檢測器輸出信號用示波器接收，得到如圖5所示波形，再將離子信號通過調理電路差分放大之后得到如圖6所示波形。由圖可知，未經過調理的離子信號的幅值為500 mV，頻率約為100 MHz，經過調理后，變為兩路極性相反、幅值為750 mV的信號，且兩路信號頻率和原信號頻率基本一致。測試結果表明，調理電路對信號進行差分放大之后，沒有造成信號失真等影響，滿足設計要求。 

3.2 高速ADC動態性能測試

    系統采用Agilent 8648A信號發生器產生一個頻率為400 MHz、幅值為500 mV的正弦波信號作為測試信號。系統采集該正弦信號，并將采集后的數據上傳到上位機，進行數據分析處理。上位機是基于MATLAB開發的數據分析軟件，利用快速傅里葉變換（FFT）的方法得到采集信號的頻譜圖像，并計算ADC的動態特性參數，包括：總諧波失真（THD）、信噪比（SNR）以及有效位數（ENOB）。為了準確地驗證ADC的動態性能，分別采集了5組數據進行測試，每組的數據量為16 KB，并將測試結果與ADC芯片使用手冊中給出的動態性能參數進行對比。5組數據的測試結果如表1所示，其中一組數據的頻譜圖像如圖7所示。通過表1可知，ADC芯片的信噪比為56.333 dB，總諧波失真為-63.509 dB，有效位數為8.995 bit，測試結果基本與手冊參數保持一致，設計符合需求。但基底噪聲較高，主要是因為系統噪聲以及ADC芯片本身造成的影響，可以通過軟件算法校正以及更改電路設計改善噪聲的影響。

3.3 PCIE DMA讀寫速度測試

    根據設計要求，PCIE總線的傳輸速度至少應為500 MB/s。為了驗證總線讀寫速度，在驅動程序開發時，編寫了相應的測試程序。測試程序依據PCIE DMA控制器從開啟到關閉時一次傳輸的數據量以及所需要的時間來計算數據的傳輸速率。測試結果如表2所示，結果表明，PCIE總線在以DMA模式進行數據傳輸時，總線的寫速度為1 135 MB/s，讀速度為1 002 MB/s，滿足系統需求。

4 結論

    本文設計了一套適用于TOF-SIMS儀器的高速數據采集系統，系統采樣率為3.2 GS/s，分辨率為12 bit，并對寬頻帶差分調理電路、高速ADC的動態性能和PCIE總線的傳輸速度進行了測試。結果表明，系統采集頻率為400 MHz、幅值為500 mV的正弦信號時，ADC的有效位數為8.995 bit，信噪比為56.333 dB，總諧波失真為-63.509 dB，PCIE總線寫速度為1 135 MB/s，讀速度為1 002 MB/s，可滿足TOF-SIMS儀器對數據采集系統的要求。

參考文獻

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[8] 龍濤.飛行時間質譜儀中高速數據采集系統關鍵技術的研究[D].長春：吉林大學，2009.

[9] PCISIG. PCI express base specification，Revision 2.1[Z]，2009.

作者信息:

楊佳祥1，龍  濤2，邱春玲1，包澤民2，王培智2，劉敦一2

（1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130021；

2.中國地質科學院地質研究所 北京離子探針中心，北京102206）