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飞行时间二次离子质谱(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometer,TOF-SIMS)作为当今重要的表面分析技术之一,它将二次离子质谱技术与飞行时间质量分析技术相结合,具有分析速度快和分辨率高的优势,在地质学、生物学和环境科学等领域得到了广泛应用。数据采集系统用于采集仪器输出的离子信号,采集结果会直接影响仪器的分辨率和精度等重要参数,是仪器的关键部件之一。本论文依托于国家重大科学仪器设备开发专项项目“同位素地质学专用TOF-SIMS科学仪器”,为TOF-SIMS仪器设计一种基于高速ADC的数据采集系统。首先,本文通过对比两种用于TOF-SIMS仪器的数据采集技术:ADC(Analog-to-Digital Conversion)和TDC(Time-to-Digital Conversion),并根据TOF-SIMS仪器对数据采集系统的需求,确定了以高速ADC为核心的采集系统总体设计方案。然后,以总体设计方案为依据,完成了系统的硬件电路设计、FPGA时序逻辑设计和系统驱动程序开发三部分内容。硬件电路包括宽频带差分调理电路、ADC与FPGA接口电路、ADC输入时钟电路和供电电路。FPGA作为采集系统的主控芯片,为整个系统提供精准的时序控制,主要包括高速ADC时序控制模块、DDR3 SDRAM控制器模块和PCIE总线控制模块等。使用Windriver工具开发了采集系统的驱动程序,包括设备驱动程序和PCIE应用程序。最后,对设计完成的TOF-SIMS高速数据采集系统进行测试实验,包括:宽频带差分调理电路的测试、DDR3 SDRAM存储模块的测试、高速ADC动态性能测试和PCIE总线传输速度测试。测试结果表明:系统采样率为3.2Gsps,采集频率为100MHz的正弦信号时,有效位数为9.283bit。在FPGA控制下,DDR3 SDRAM可实现数据的读写操作。PCIE总线在DMA模式下的传输速度超过1000MB/s。测试结果满足设计指标要求。