在太阳系中,除了太阳、行星和其他天体,其质量的98%-99%都是来自于中性原子[1]。对于中性原子的研究,目前国外,已发射的多颗卫星上搭载了专门用于中性原子观测的仪器,主要用于观测其空间分布、能量和粒子成分等信息,已获得了大量的科学数据。由于我国对中性原子的研究起步较晚,目前只有一台搭载在于2004年发射的双星TC-2上的中性原子观测仪器NAUDU在轨运行,其主要用于测量中性原子的空间分布和能量[2],没有实现粒子的成分分析功能。本课题研究的中性原子成分分析系统设计是为“十三五”期间计划发射的磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划中预搭载的高能中性原子成像仪做技术储备,设计并实现了基于飞行时间法的中性原子成分分析系统的电路方案,并对系统性能做了测试分析。本论文共分八个章节,系统详细的介绍了课题的设计、实现和测试过程。首先说明了课题的调研情况,明确了课题研究的主要内容,确定了研究方案。接下来,基于中性原子成分分析原理,详细论述了系统的总体设计方案;分模块详实的介绍了前端信号处理电路、时间数字转换测量电路和FPGA(Field-Programmable Gate Array)控制电路的具体实现;基于硬件电路设计,完成了FPGA软件核心程序设计,实现了对专用时间数字转换芯片TDC-GPX的正确控制、数据读取和存储等功能。最后设计了上位机软件程序,完成了对整个系统的测试和数据分析工作。本论文的核心功能在于测量中性原子的飞行时间,故重点介绍了专用时间数字转换芯片的选型,以及本系统最终选用的TDC-GPX的特点,基于芯片本身特性,设计了FPGA控制程序,使其对飞行时间的测量尽可能达到较高的时间分辨率。在本论文的最后,详细介绍了对此系统的测试方案,分别进行了各模块单独测试和系统整体测试,并对有效数据进行了分析,其时间分辨率和线性度符合系统设计需求。最终得出了本系统电路设计方案具有可行性,可完成中性原子的成分分析功能的结论。