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高速ADC板卡QT1125在飛行時間質譜中的應用

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2016-02-25 10:15:00
簡介
 
質譜是帶電原子、分子、或分子碎片按質荷比(或質量)的大小順序排列的圖譜。質譜分析法主要是通過對被測樣品離子的質荷比的分析而實現對樣品進行定性和定量的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化,然后利用不同離子在電場或磁場的運動行為的不同,把離子按質荷比(m/z)分開而得到質譜,通過樣品質譜的相關信息,可以得到樣品的定性定量結果。
飛行時間質譜儀較其他質譜儀具有靈敏度高、分辨率高、分析速度快、質量檢測上限只受離子檢測器限制等優點而逐漸成為質譜儀家族中發展勢頭為迅猛的儀器。
飛行時間質譜分析速度快、高精度、高靈敏度的特點決定其必須具有高時間分辨率和高靈敏度的數據處理系統。坤馳科技的QT1125可以滿足以上OEM需求。

 

質譜儀原理:對于能量相同的離子,離子的質量越大,達到離子檢測器的時間越長;質量越小,所用的時間越短。如果能夠獲得各個離子的到達時間,質譜儀就能將不同質量的離子根據飛行時間的不同而分開。
 
面臨問題
當離子檢測器接收到一個離子時,在到達板上產生一個負脈沖信號,于是一次檢測便產生一連串的脈沖信號。在以往采用TDC(時間數字轉換器)進行采集的質譜儀系統中,每一個脈沖信號都被量化為“1”,這樣雖然可以測出離子的到達時間,但是也有缺陷,對于同一時刻到達的多個離子,盡管在脈沖的幅度上會有區別,但是只會被認為是一個“1”,針對這個缺陷,人們采用多次積累的方法獲得某種離子在時間上的大致分布。但是這種方法需要通過很長時間的積累(通常要幾十萬到上百萬次)才能夠獲得大致的離子分布,這就大大制約了設備的采集效率。使用系統的TDC得到一幅譜圖通常要10~20秒的積累才能夠完成。
 
解決問題
如果使用高速ADC對高速到達的離子進行采集,由于ADC本身可以獲取信號的幅度信息,而高速ADC又可以達到很高的時間分辨率,將兩個優點結合,就解決了TDC無法獲得離子幅度信息的缺陷。使用ADC也可以大大提高采集效率,如ADC采樣分辨率為8位時,相當于256級量化精度,在理論上,一次采集就可以相當于傳統ADC采樣256次,使得到譜圖時間縮短到0.1秒左右。
 
系統整體介紹
工作流程
高速脈沖信號進入高速ADC,完成信號的數模轉換,按特定順序緩存到板載內存中,下次脈沖來時,FPGA將新的采集數據與上次緩存的數據進行累加,累加到一定數目后,通過PCIe總線傳到上位機中,上位機將數據整理顯示,得到終的譜圖。
 
系統框圖
 

 
硬件介紹

坤馳科技自主研發的 QT1125 是一款同時具備直流耦合程控放大器和支持寬帶 RF/IF 信號輸入的高速數據采集卡。QT1125 在主機中占用一個單槽 PCIe x 16 插槽。QT1125 的采樣率在 4 通道工作工作模式下為1.25GSPS/CH,在 2 通道模式下為 2.5GSPS/CH,在單通道模式下為 5GSPS/CH。DDR3 采集存儲器容量高達 2GB。QT1125 采用 Xilinx Virtex-6 FPGA,使用QTexV1.0 開發套件允許用戶自定義實時處理算法。

規格
 
  •  大支持4通道同步采集。
  •  高5GSPS采樣率/單通道、2.5GSPS采樣率/2通道、1.25GSPS采樣率/4通道。
  •  時間交錯自適應校準系統。
  •  10bit 轉換精度。
  •  支持 AC、DC藕合方式;支持高頻脈沖信號輸入。
  •  大板載 2GB DDR3 存儲器。
  •  支持外部觸發輸入或輸出,支持用戶擴展IO。
  •  PCIE x8 Gen2數據傳輸接口,連續傳輸率2.8GB/s
  •  FPGA 支持用戶自定義邏輯開發。
總結

對于質譜數據的采集和處理,以往通過數字轉換電路(Time-Digital Converter,簡稱TDC),進行時間間隔的測量,通過多次的測量和累積后再進行信號處理運算,終能夠從譜圖上反映出物資的譜線,從而檢測出物資的構成成分,但是TDC的原理決定了其固有的缺陷:當多個粒子同時到達時,前端儀器產生脈沖的幅度是與粒子的數量成正比的,而TDC只認為此時到達了一個粒子,從而丟失了信息。當利用北京坤馳科技高速采集板卡QT1125進行測量時,可以同時采集到脈沖的幅度和時間信息,因此可以進行高速、高時間分辨率的定量分析。 

 

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