基于飛行時間法的納秒量級時間間隔測量系統(tǒng)研制

1 引 言

隨著空間探測技術的發(fā)展，空間的等離子體成分探測顯得越來越重要，尤其對現在正在進行的深空探測，如探月計劃。而空間等離子成分探測最主要的方法就是飛行時間法，既通過測量粒子飛過一定距離所需要的時間來鑒別粒子成分。

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

2 設計原理及系統(tǒng)組成

納秒量級時間間隔測量系統(tǒng)由CPU模塊、時間間隔測量模塊、數據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脈沖信號、接收時間間隔測量模塊的數據、FIFO緩存、發(fā)送數據到數據傳輸模塊、控制數據傳輸模塊的時序，是整個測量系統(tǒng)的前提和控制中心。時間間隔測量模塊主要用來測量納秒量級的時間間隔，同時把時間信號轉換為數字信號。數據傳輸模塊接收數據，并進行數據處理，同時將數據傳輸到PC機。PC機用來存儲數據，同時發(fā)送指令到數據傳輸模塊。

2.1 CPU模塊

該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉換電路、時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CPU模塊的核心。

CPU模塊的主要功能：

(1)模擬納秒量級脈沖信號。利用現有的技術方法模擬出來，時間間隔為納秒量級的脈沖信號，為驗證后續(xù)測量系統(tǒng)做準備。

(2)接收時間間隔測量模塊的數據，將時間間隔測量模塊數據存儲到內部FIFO。

(3)FIFO緩存、發(fā)送數據到數據傳輸模塊。利用FPGA內部的邏輯門，通過編程實現2個4 kB的FIFO，用于緩存數據，同時將數據發(fā)送到數據傳輸模塊。

(4)控制測量模塊和數據傳輸模塊的時序。作為整個測量系統(tǒng)的控制中心，為后續(xù)的測量模塊和數據傳輸模塊提供時序控制和讀、寫方式等。

其中模擬納秒量級脈沖信號是整個CPU模塊的關鍵，在本系統(tǒng)中，通過選用了Xilinx公司Virtex-2系列FPGA，利用其內部的DCM(數字時鐘管理器，Digital Clock Manager)模塊將時鐘信號倍頻到300 MHz左右，通過計數的方法來產生起始脈沖和停止脈沖，從而產生納秒量級的時間間隔信號。

2.2 時間間隔測量模塊

時間間隔測量系統(tǒng)是整個電子學系統(tǒng)的關鍵。它的性能的好壞直接決定著時間間隔測量系統(tǒng)的精度。本測量方案選用了德國ACAM公司的高精度時間間隔測量芯片TDC-GP1。

該芯片采用44引腳TQFP封裝，具有TDC測量單元、16位算術邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元4個主要功能模塊。其性能指標如下：

①雙通道，250 ps的分辨率或者單通道125 ps的分辨率。

②每個通道可進行四次采樣，排序則可達8次采樣。

③兩個通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns。

④有兩個測量范圍：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個事件可以一個一個的任意測量，沒有最小時間間隔限制。