0 引言

    飞行时间二次离子质谱(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS)是当今用于表面化学分析的重要技术手段^[1]，适用于地质学、食品化学、临床医疗和材料化学等众多领域，具有分析速度快、分辨率高以及对样品几乎无损伤等特点^[2-3]。数据采集系统用于采集仪器输出信号，并对离子数量进行还原，是TOF-SIMS仪器的关键部件，其对离子数量的还原程度会直接影响仪器的精度等参数^[4]，是TOF-SIMS用于高精度分析的瓶颈之一。

    TOF-SIMS数据采集技术主要包括：模拟数字转换 (Analog-to-Digital Conversion，ADC)和时间数字转换(Time-to-Digital Conversion，TDC)^[5]。由于早期ADC采样率和分辨率等核心参数指标的限制，TOF-SIMS多数采用TDC技术来实现数据采集。TDC可以记录每个离子的飞行时间，具有结构简单以及数据量小的优势，为TOF-SIMS仪器的发展起到了重要推动作用。但TDC由于死区时间(Deadtime)的限制^[6]，当多个离子几乎同时到达检测器时，只能检测出一个离子信号，造成采集数据的缺失，影响仪器精度^[7]。随着电子技术的发展，ADC的采样率和分辨率得到大幅度提升，使ADC技术应用于TOF-SIMS成为可能。与TDC相比，高速ADC不受死区时间影响并且动态范围广^[8]，可有效提高仪器精度。故将ADC技术应用于TOF-SIMS成为亟待解决的关键问题。

    本文采用高速ADC芯片和PCI-Express（简称PCIE）总线，设计了一套适用于TOF-SIMS仪器的高速数据采集系统。

1 总体方案设计

    TOF-SIMS仪器输出的离子信号半峰宽为4～7 ns，若想准确地还原离子数量，得到更精准的采集数据，则要求ADC芯片采样率不低于500 MS/s，分辨率高于8 bit；系统采集的数据需要高速传输到PC端，要求数据总线传输速度大于500 MB/s。

    根据上述指标要求，设计了此数据采集系统。系统由宽频带差分调理电路、高速A/D转换模块、FPGA时序控制单元、DDR3 SDRAM外部存储器和PCIE总线等部分构成。总体设计如图1所示。调理电路首先将离子信号进行差分放大，调理后的信号进入高速A/D模块进行数据采集转换，FPGA接收到采集数据后，将数据送入DDR3 SDRAM外部存储模块中进行数据的缓存处理，待上位机发出采集指令后，将DDR3 SDRAM中的数据读出，通过PCIE总线将数据传输至上位机。

2 主要模块设计

2.1 宽频带差分调理电路

    TOF-SIMS仪器输出的离子信号为单端信号，而高速模数转换器的输入端为差分输入，在采集之前，首先需要进行信号的调理，而离子信号频率最高可达300 MHz，要求调理电路带宽必须高于此频率，才能保证信号的完整性。调理电路的核心为TI公司的LMH5401全差动放大器，电路如图2所示。该芯片带宽最高可达1 GHz，并可直接将单端信号转换成差分信号，满足设计需求。而且差动放大器具有很好的抗干扰能力，可有效提高ADC信噪比等重要参数。

2.2 高速A/D转换模块

    高速A/D模块是系统的核心部分，主要作用是将离子信号转换成FPGA可接收的数字信号。系统使用的高速ADC为TI公司的ADC12D1600芯片。该芯片是新一代高速模数转换器，分辨率为12位，可实现双通道1.6 GS/s采样率和单通道3.2 GS/s采样率，采用差分输入，LVDS电平输出，ADC的工作模式可以通过片上SPI总线进行编程配置。在设计时，将ADC配置为单通道交替采样模式，即采样率为3.2 GS/s，并在ADC输出端使用1:2分路器将数据降速，以便于FPGA接收。ADC采样时钟为1.6 GHz，由TI公司的LMX2531高性能频率合成器产生。高速A/D转换模块电路如图3所示。其中，DI+、DI-为I通道的输出数据，DQ+、DQ-为Q通道的输出数据，当选择1:2分路器降速时，输出数据的速率降为时钟频率的一半，即800 MHz；DCLK+和DCLK-是ADC提供给FPGA的同步时钟，时钟频率与输出数据频率相同，FPGA使用此时钟接收ADC的输出数据。

2.3 FPGA时序控制单元

    FPGA是系统的时序控制器，主要模块包括：ADC控制模块、时钟管理模块、异步FIFO模块、DDR3控制模块和PCIE模块等，FPGA时序控制单元如图4所示。对高速ADC芯片的配置全部由ADC时序控制模块实现，该模块产生的串行数据配置ADC内部的控制寄存器，实现ADC采样模式的选定、内部设置校准和通道输出偏移量调整等功能。采用Xilinx公司的MMCM（混合模式时钟管理器）IP核生成FPGA单元各模块所需时钟，主要有 ADC芯片的SPI总线接口时钟，频率为15 MHz；PCIE IP核的参考时钟，频率为100 MHz；DDR3存储器输入时钟，频率为200 MHz。异步FIFO可缓冲和存储系统采集的高速数据，并用于解决不同时钟域之间的数据同步问题，可保证数据能够正确传输。DDR3 模块用于控制外部存储器的读写操作。PCIE总线控制模块负责接收和发送外部存储器的数据以及上位机的指令信息。

2.4 PCIE DMA控制器

    为了保证数据传输时的完整性与实时性，本文采用PCIE总线作为数据传输总线，并在FPGA内部设计了DMA（直接内存存取）控制器，采用DMA模式实现系统与PC之间的高速数据传输。DMA控制器的主要作用是接收和发送带有各种事物类型的事物层数据包(TLP)^[9]，控制器包括：发送模块、接收模块和DMA控制模块。发送模块用于组装、发送TLP包；接收模块的作用是接收并拆解来自PC端的TLP包；DMA控制模块包括两部分，一部分是DMA寄存器，另一部分是DMA状态寄存器。DMA控制模块是PC与采集系统通信的主要模块，也是DMA操作的主要控制部分。

3 实验测试

3.1 宽频带差分调理电路测试

    调理电路采用Tektronix DPO3034数字示波器进行测试。该示波器采样率为2.5 GS/s，带宽为300 MHz。测试过程如下：将TOF-SIMS离子检测器输出信号用示波器接收，得到如图5所示波形，再将离子信号通过调理电路差分放大之后得到如图6所示波形。由图可知，未经过调理的离子信号的幅值为500 mV，频率约为100 MHz，经过调理后，变为两路极性相反、幅值为750 mV的信号，且两路信号频率和原信号频率基本一致。测试结果表明，调理电路对信号进行差分放大之后，没有造成信号失真等影响，满足设计要求。 

3.2 高速ADC动态性能测试

    系统采用Agilent 8648A信号发生器产生一个频率为400 MHz、幅值为500 mV的正弦波信号作为测试信号。系统采集该正弦信号，并将采集后的数据上传到上位机，进行数据分析处理。上位机是基于MATLAB开发的数据分析软件，利用快速傅里叶变换（FFT）的方法得到采集信号的频谱图像，并计算ADC的动态特性参数，包括：总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）以及有效位数（ENOB）。为了准确地验证ADC的动态性能，分别采集了5组数据进行测试，每组的数据量为16 KB，并将测试结果与ADC芯片使用手册中给出的动态性能参数进行对比。5组数据的测试结果如表1所示，其中一组数据的频谱图像如图7所示。通过表1可知，ADC芯片的信噪比为56.333 dB，总谐波失真为-63.509 dB，有效位数为8.995 bit，测试结果基本与手册参数保持一致，设计符合需求。但基底噪声较高，主要是因为系统噪声以及ADC芯片本身造成的影响，可以通过软件算法校正以及更改电路设计改善噪声的影响。

3.3 PCIE DMA读写速度测试

    根据设计要求，PCIE总线的传输速度至少应为500 MB/s。为了验证总线读写速度，在驱动程序开发时，编写了相应的测试程序。测试程序依据PCIE DMA控制器从开启到关闭时一次传输的数据量以及所需要的时间来计算数据的传输速率。测试结果如表2所示，结果表明，PCIE总线在以DMA模式进行数据传输时，总线的写速度为1 135 MB/s，读速度为1 002 MB/s，满足系统需求。

4 结论

    本文设计了一套适用于TOF-SIMS仪器的高速数据采集系统，系统采样率为3.2 GS/s，分辨率为12 bit，并对宽频带差分调理电路、高速ADC的动态性能和PCIE总线的传输速度进行了测试。结果表明，系统采集频率为400 MHz、幅值为500 mV的正弦信号时，ADC的有效位数为8.995 bit，信噪比为56.333 dB，总谐波失真为-63.509 dB，PCIE总线写速度为1 135 MB/s，读速度为1 002 MB/s，可满足TOF-SIMS仪器对数据采集系统的要求。

参考文献

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[2] MAMYRIN B A.Time-of-flight mass spectrometry[J].International Journal of Mass Spectrometry，2001，206(9)：251-266.

[3] KIM Y P，SHONHK，SHIN S K，et al.Probing nanoparticlesand nanoparticle-conjugated biomolecules using time-of-flight secondary ion mass spectrometry[J].Mass Spectrometry Reviews，2015，34(2)：237-247.

[4] GREEN F M，GILMORE I S.Mass accuracy-TOF-SIMS[J].Applied Surface Science，2006，252(19)：6591-6593.

[5] 叶春逢.飞行时间质谱仪数据获取系统的研究与设计[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[6] FJELDSTED J.Time of flight mass spectrometry[M].Agilent Technologies，2003.

[7] AKINDINOV A V，ALICI A，ANSELMO F，et al.Design aspects and prototype test of a very precise TDC system implemented for the Multigap RPC of the ALICE-TOF[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2004，533(1-2)：178-182.

[8] 龙涛.飞行时间质谱仪中高速数据采集系统关键技术的研究[D].长春：吉林大学，2009.

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

作者信息:

杨佳祥1，龙  涛2，邱春玲1，包泽民2，王培智2，刘敦一2

（1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春130021；

2.中国地质科学院地质研究所 北京离子探针中心，北京102206）