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反应显微谱仪飞行时间测量系统的时钟触发插件设计

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. 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. 1 设计背景. 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。. 2 插件设计 ： 时钟模块 触发模块. 飞行时间测量读出电子学系统结构图.

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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 • 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。

  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。

  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。 (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 (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！

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