反应显微谱仪飞行时间测量系统的时钟触发插件设计

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1 反应显微谱仪飞行时间测量系统的时钟触发插件设计
报告人：封常青 中国科学院核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学安徽省重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系

2 提纲 1 设计背景 2 插件设计： 时钟模块 触发模块 3 测试与分析： 时钟信号测试 触发信号测试

3 1 设计背景

4 设计背景 兰州近代物理研究所建立的反应显微谱仪，研究离子 与原子分子碰撞反应。碰撞过程中粒子飞行的时间是 进行粒子鉴别的重要参数，此时间测量由飞行时间测 量电子学系统实现。

5 2 插件设计： 时钟模块 触发模块

6 飞行时间测量读出电子学系统结构图 图的注解：时钟和触发扇出功能集成于一个PXI 3U插件中，位于机箱的第一外围槽，通过同轴电缆向时间测量插件扇出高精度时钟，通过PXI机箱星型触发总线向时间测量插件扇出触发信号。时钟触发插件的配置与状态信息读取等通过标准PXI总线完成。 飞行时间测量电子学系统集成于尺寸为3U的PXI[4]机箱中， 基于工作在甚高精度模式下的HPTDC芯片，实现的时间测 量精度为25ps。

7 时钟触发插件功能 时钟触发插件为读出电子学插件提供高精度的系统时 钟和可控触发信号 系统时钟周期-周期抖动的均方根不大于20ps。
扇出5路触发信号，并根据系统配置设置屏蔽时间，进行可控屏蔽。 时钟模块 触发模块

8 时钟模块设计 时钟模块由时钟源、时钟扇出芯片、输出连接器三部分组 成。输出5路频率为40MHz的时钟信号，为飞行时间测量 读出电子学系统提供低抖动、低通道间偏差的系统时钟。 Vectron公司的EX-380温度补偿晶振作为时钟源。Micrel公司的SY89113时钟扇出芯片（可驱动12路LVDS输出），其引入的周期-周期时钟抖动小于1ps（RMS），通道间的时钟偏差小于25ps。

9 触发模块设计 反应显微谱仪触发判选系统输出的触发信号，经触发模块 接收、控制、处理后，由PXI星型触发总线扇出，为时间 测量插件提供5路LVTTL电平的触发信号。 触发模块由三部分组成： 1、触发信号接收和电平转换。 2、触发信号控制。 3、触发信号扇出。 模块接收反应显微谱仪触发判选系统输出的触发信号，控制、处理、扇出触发信号，并使用 PXI星型触发总线传输触发信号至各个时间测量插件。Onsemi公司的MC100EPT25芯片完成ECL-LVTTL电平转换。FPGA时序的同步时钟由PXI总线33MHz时钟信号提供。PXI提供了超高性能星形触发总线，星形触发信号由位于第一外设槽的星形触发控制器提供，将信号点对点沿等长的信号线传送给其他外设槽。

10 触发模块设计 反应显微谱仪触发判选系统输出的触发信号高电平持 续时间为5ns，为实现触发信号被时间测量插件稳定 接收，FPGA需展宽触发信号的脉冲宽度至30ns。 通过系统配置FPGA内部寄存器，设置屏蔽时间进行 可控屏蔽，屏蔽时间变化范围1us至50us，变化量为 30ns的整倍数（33MHz的整周期）。

11 3 测试与分析： 时钟信号测试 触发信号测试

12 时钟模块测试 使用Lecroy MXI104示波器获取时钟信号占空比、摆 幅、时钟抖动和时钟偏差指标。 1、占空比，摆幅测试
时钟信号占空比为50%+/-1%，幅度值对应LVDS差模量，范围为696mV至739mV。

13 时钟模块测试 2、时钟抖动测试 使用周期-周期抖动的均方根值描述时钟抖动。
使用Lecroy MXI104示波器测试时钟模块5个通道的时钟抖动性能。 各通道输出信号的周期-周期时钟抖动分布于10.6ps和11ps之间。

14 时钟模块测试 3、时钟偏差 以时钟模块通道5为基准，测试其余通道与通道5间的时钟偏差。
通道5与其余通道间时钟偏差最大值为27.36ps，最小值为-23.47ps，所有通道的相对时钟偏差小于51ps。

15 触发模块测试 测试插件实现控制、屏蔽触发信号等功能 使用信号源Tektronix AFG 3251提供电平持续时间为5ns，重复频率可调。
上位机通过PXI总线配置FPGA内部寄存器，控制FPGA完成相应的操作，如：接收外部触发信号，屏蔽触发信号和设置屏蔽时间等。

16 触发模块测试 系统要求外部触发信号在可控时间内被屏蔽，屏蔽时 间变化范围为1us至50us，变化量为30ns的整倍数。
屏蔽性能测试分为两个部分： 相同触发频率不同屏蔽时间； 相同屏蔽时间不同触发频率。

17 触发模块测试 信号源Tektronix AFG 3251提供频率为1MHz触发信号，分 别设置屏蔽时间为480ns和7680ns。
以接收的第一个触发信号为屏蔽计时起点，左图中，屏蔽时间480ns小于触发信号的周期1000ns，信号没有被屏蔽。右图中屏蔽时间7680ns大于触发信号周期的7倍，测得信号相邻两个触发脉冲的间隔分别为7999ns。以接收的第一个触发信号为屏蔽计时起点，随后的7个信号被屏蔽，第8个信号被输出。 (a) 屏蔽时间480ns (b) 屏蔽时间7680ns

18 触发模块测试 使用信号源Tektronix AFG 3251提供频率分别为500KHz， 300KHz，150KHz的触发信号，设置插件对触发信号的屏 蔽时间为7680ns。 (a) 触发信号频率为500KHz 不同频率下，以接收的第一个触发信号为屏蔽计时起点，随后的7680ns时间内没有其余触发信号输出，实现了根据设置对触发进行屏蔽。 (b) 触发信号频率为300KHz (c) 触发信号频率为150KHz

19 总结 3U时钟触发插件为兰州近代物理研究所的反应显微谱仪时 间测量系统提供了高精度的时钟信号和符合设计要求的触 发信号。
经测试，时钟触发插件所有通道时钟抖动小于11ps，经PXI 星型触发总线传输的触发信号满足设计要求。 基于3U PXI总线的高精度飞行时间测量系统已在兰州近代 物理所反应显微谱仪中投入使用，时钟触发插件提供的时 钟保证了HPTDC高精度时间测量，提供的触发信号满足设 计要求。

20 谢谢！