高分辨时间测量谱仪模块说明书

1、高分辨时间谱仪用户手册目录1.概述12.指标性能规格说12.1指标12.2输入输出13.安装24.操作指南25.电路描述26.联系方式6安全标识和说明为了防止人身伤害和损坏仪器，本手册包含3种安全标识需要告知。使用本仪器之前，请仔细阅读用户手册确保您完全理解本仪器。u 危险 意味着如果没有遵从安全指示，可能导致死亡或严重的人身伤害u 警告 意味着如果没有遵从安全指示，可能导致人身伤害u 谨慎 意味着如果没有遵从安全指示，可能导致仪器损坏 安全警告和清洁说明警告 不按用户手册所指导的方式使用仪器可能损坏仪器危险 打开仪器外壳可能将仪器电路连接到危险的电压上，所以，在打开仪器外壳之前，请断开仪器的

2、所有连接。清洁说明清洁外壳指示：u 断开仪器电源。u 用无绒织物除去仪器外壳上的灰尘。u 用普通的洗涤剂和无绒织物出去外壳上的污渍。不要使用有腐蚀性的洗涤剂。谨慎 在清洁仪器外壳过程中，为了防止液体过多使仪器内部潮湿，请使用少量液体浸湿织物。u 在仪器通电之前，请确保仪器干燥。高分辨时间谱仪1.概述6高分辨率时间谱仪是用于测量两个脉冲之间的时间间隔的多用途核电子学仪器，该仪器采用单宽NIM标准设计，恒比定时方法定时，通过TDC-GP2芯片将信号之间的时间间隔转换为32位固定浮点数的校准数据，测量出的数据通过RS232接口将数据传输到计算机终端上显示。高分辨率时间谱仪采用TDC-GP2芯片测量时

3、间间隔，每个TDC-GP2芯片可实现两路停止信号的测量，因此4个TDC-GP2芯片即可实现1路开始信号与8路停止信号之间的时间间隔的测量，其中FPGA 通过SPI总线协议与4个TDC-GP2芯片进行通信，以实现对4个TDC-GP2芯片的配置与数据接收。图 1高分辨率时间应用2.指标性能规格说2.1指标分辨时间<500ps输入信号幅度-5V+5V功耗<3W电源+6V:<0.4A-6V:<0.1A尺寸单宽NIM标准插件2.2输入输出信号接口前面板有一个起始信号输入接口，八个停止信号输入接口。均采用SMA接口，输入阻抗50，输入信号范围-5V+5V。背面有八个信号输出接口和八

4、个信号输入接口，输出信号接到延时线一端经过延时后接入信号输入接口。接口均采用SMA接口，输入阻抗50。数据输出高分辨率时间谱仪采用RS232数据传输协议与计算机相连。在计算机配备软件控制并得到相关数据。3.安装高分辨率时间测量谱仪的安装必须严格参照NIM插件的安装规则。安装必须考虑到周围环境温度和仪器的冷却。较高的温度及湿度太大的环境可能损坏仪器，测量谱仪的的使用温度不得超过70。电源 由于一个NIM机箱可能同时负载多个NIM插件，所以，请确保NIM机箱的电源功耗能够满足要求。输入 在连接输入信号之前，请确保信号源能够与智能分析仪匹配并能满足的负载要求。输出 输出要采用本谱仪原配的RS232接

5、线与操作系统为windows XP以上的计算机相连。4.操作指南在对高分辨时间测量谱仪进行操作之前，请确保您已仔细阅读过本手册并且按照要求将分析仪正确安装。高分辨率时间谱仪的作用是测量两个脉冲之间的时间间隔，要使高分辨率时间谱仪正确且精确的测量出结果，必须要选择合适的延时时间。5.电路描述为了让您能更好的掌握本仪器的使用方法，了解本仪器的工作原理，本手册提供对仪器电路的大致描述。有关电路框图请参考后续附图。高分辨率时间测量谱仪由四个高精度TDC-GP2完成测量，每个TDC-GP2可测量一路开始信号与两路停止信号之间的时间价格。图 2是其中一个TDC-GP2的原理框图。FPGA通过SPI传输协议

6、与TDC-GP2进行通讯，其作用是控制TDC-GP2芯片测量及读取数据采集，测量获取的数据通过一个MAX3232芯片转换电平，再通过RS232数据线与计算机相连。图 2 高分辨率时间测量谱仪原理框图定时原理 START和STOP信号采用恒比定时方法定时，原理如图 3所示。输入信号分为三路，第一路经过延时器后输入到高速比较器反相输入端；第二路信号经过衰减后输入到高速比较器A1的正相输入端。当输入端信号的相对大小发生改变时，比较器A1输出状态将发生改变，并且状态转换的时刻点不会受到原始输入信号幅值的改变的影响，始终保持与原始信号达到其某一固定高度比例时发生。这样就可以保证时刻鉴别的准确度。第三路信

7、号直接输入到比较器A2的的正相输入端。恒比定时所选用的高速比较器型号为MAX9601，该器件为低功耗、超高速、超摆幅、滞回比较器。该比较器响应时间为500ps,时间抖动为30ps,最高工作带宽为4GHz,PECL电平输出。TDC工作原理基于时间-数字转换技术（Time-to-Digital Conversiom检测TDC）的精密测量技术在核电子学中有着广泛的应用。本高分辨率时间测量谱仪采用ACAM公司通用型TDC系列的新一代产品TDC-GP2为系统提供高精度时间间隔测量。TDC-GP2主要由TDC测量模块，16位算术逻辑模块（ALU），温度测量模块以及4线SPI串行数据接口组成串行数据接口组成

8、。具有两个测量范围，其精度均达到65ps。TDC-GP2采用尺寸较小的QFN32封装。通过四线SPI与FPGA相连。用户可以通过配置内部寄存器，设置TDC-GP2的测量范围、信号触发方式等。TDC-GP2采用的是四线SPI，其读写时序图如图 4所示：图 3 恒比定时原理框图图 4 SPI总线传输时序图在SPI口读写时序中，SSN为从机使能控制端，低电平有效；SCK为从机时钟信号输入端口，SI为数据输入端，SO为数据输出端。TDC-GP2测量流程如图 5所示，在本流程图中，首先要多寄存器进行匹配，设置时钟、截止脉冲等，并进行相关的数字运算，设置好相应参数时，能够极大地移除由TDC-GP2系统及电

9、路引起的系统误差图 5 TDC-GP2的测量流程图TDC寄存器配置初始化TDCTDC单元等待开始脉冲信号截止通道1脉冲信号截止通道2脉冲信号校准测量ALU根据HIT1&HIT2进行数据计算产生中断读取数据向HIT1&HIT2写入新的数据时间溢出ALU数据计算读取数据FPGA主状态机时序高分辨时间测量谱仪模块通过FPGA驱动TDC芯片实现对信号脉冲时间间隔的测量，驱动程序主要通过FPGA在主状态间的跳转完成。图 6显示了主状态的时序关系，在REST信号结束后，Main state跳出Idle状态进入TDC Configure状态，并分别向TDC写寄存器REG02发送3个24位指令

10、。完成对TDC的Configure后，main state跳入Initial状态，向TDC发送8位初始化指令。完成Initial后，main state跳入Enable TDC状态，将TDC相应的使能信号拉高。然后main state跳入Read result状态，读取测量结果（读取结果状态）。之后main state跳入Wait状态，等待向电脑通过RS232发送测量结果，然后再次跳入Initial进行新一轮的测量。图 6主状态时序图数据读取状态机当主状态机（main state）在Read result状态时，会向Read result模块发送使能信号。当Read result模块接收到使能

11、信号后，其内部状态机跳出Idle状态进入Read state状态读取TDC中STATE寄存器的值，并根据读回的数据完成状态跳转，状态机时序如图 7所示。图 7数据读取状态机图Read state：Read result模块在该状态读取TDC中STATE寄存器的值，判断TDC是否正常工作，将测量结果存在哪个寄存器中以及存了多少个结果。当TDC正常工作并有测量结果时，跳入Write Command状态。Write Command：Read result模块在该状态向TDC写寄存器REG1写命令，设定每个通道有几个脉冲以及测量哪两个通道的时间差。之后跳入Wait状态。Wait： Read resul

12、t模块在Write Command之后需要一定时间的延时，之后再次读取STATE寄存器的值，然后进入Read状态。Read：Read result模块在该状态根据STATE寄存器的值读取相应寄存器中存储的结果，然后跳入Save result状态。Save result：将测量结果存入FIFO，完成本次读取，跳入Idle，等待下一次读取测量值。6.联系方式名称：四川大学川大智胜软件股份有限公司地址：中国四川省成都市武候区武科东一路07号邮编：610045电话是我们时代的生命别林斯基书籍是巨大的力量列宁书是人类进步的阶梯高尔基书籍是人类知识的总统莎士比亚书籍是人类思想的宝库乌申斯基书籍举世之宝梭罗好的书籍是最贵重的珍宝别林斯基书是