高速数据采集卡QT1125在飞行质谱中的应用

坤驰科技

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高速数据采集卡QT1125在飞行质谱中的应用

简介质谱是带电原子、分子、或分子碎片按质荷比（或质量）的大小顺序排列的图谱。质谱分析法主要是通过对被测样品离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品质谱的相关信息，可以得到样品的定性定量结果。
飞行时间质谱仪较其他质谱仪具有灵敏度高、分辨率高、分析速度快、质量检测上限只受离子检测器限制等优点而逐渐成为质谱仪家族中发展势头最为迅猛的仪器。
飞行时间质谱分析速度快、高精度、高灵敏度的特点决定其必须具有高时间分辨率和高灵敏度的数据处理系统。坤驰科技的QT1125可以满足以上OEM需求。

质谱仪原理：对于能量相同的离子，离子的质量越大，达到离子检测器的时间越长；质量越小，所用的时间越短。如果能够获得各个离子的到达时间，质谱仪就能将不同质量的离子根据飞行时间的不同而分开。


面临问题

当离子检测器接收到一个离子时，在到达板上产生一个负脉冲信号，于是一次检测便产生一连串的脉冲信号。在以往采用TDC（时间数字转换器）进行采集的质谱仪系统中，每一个脉冲信号都被量化为“1”，这样虽然可以测出离子的到达时间，但是也有缺陷，对于同一时刻到达的多个离子，尽管在脉冲的幅度上会有区别，但是只会被认为是一个“1”，针对这个缺陷，人们采用多次积累的方法获得某种离子在时间上的大致分布。但是这种方法需要通过很长时间的积累（通常要几十万到上百万次）才能够获得大致的离子分布，这就大大制约了设备的采集效率。使用系统的TDC得到一幅谱图通常要10~20秒的积累才能够完成。


解决问题如果使用高速数据采集卡对高速到达的离子进行采集，由于高速数据采集卡本身可以获取信号的幅度信息，而高速数据采集卡又可以达到很高的时间分辨率，将两个优点结合，就解决了TDC无法获得离子幅度信息的缺陷。使用高速数据采集卡也可以大大提高采集效率，如高速数据采集卡采样分辨率为8位时，相当于256级量化精度，在理论上，一次采集就可以相当于传统高速数据采集卡采样256次，使得到谱图时间缩短到0.1秒左右。


系统整体介绍工作流程

高速脉冲信号进入高速数据采集卡，完成信号的数模转换，按特定顺序缓存到板载内存中，下次脉冲来时，FPGA将新的采集数据与上次缓存的数据进行累加，累加到一定数目后，通过PCIe总线传到上位机中，上位机将数据整理显示，得到最终的谱图。
系统框图

硬件介绍

坤驰科技自主研发的 QT1125 是一款同时具备直流耦合程控放大器和支持宽带 RF/IF 信号输入的高速数据采集卡。QT1125 在主机中占用一个单槽 PCIe x 16 插槽。QT1125 的采样率在 4 通道工作工作模式下为1.25GSPS/CH，在 2 通道模式下为 2.5GSPS/CH，在单通道模式下为 5GSPS/CH。DDR3 采集存储器容量高达 2GB。QT1125 采用Xilinx Virtex-6 FPGA，使用QTexV1.0 开发套件允许用户自定义实时处理算法。

规格

l  最大支持 4 通道同步采集。

l  最 高 5GSPS 采 样 率 / 单通 道、2.5GSPS 采 样 率 /2 通 道、1.25GSPS 采样率 /4 通道。

l  时间交错自适应校准系统。
l  10bit 转换精度。
l  支持 AC、DC 藕合方式；支持高频脉冲信号输入。
l  最大板载 2GB DDR3 存储器。
l  支持外部触发输入或输出 , 支持用户扩展 IO。

l  PCIE x8 Gen2 数据传输接口，连续传输率2.8GB/s

l  FPGA 支持用户自定义逻辑开发。


总结对于质谱数据的采集和处理，以往通过数字转换电路（Time-Digital Converter，简称TDC），进行时间间隔的测量，通过多次的测量和累积后再进行信号处理运算，最终能够从谱图上反映出物资的谱线，从而检测出物资的构成成分，但是TDC的原理决定了其固有的缺陷：当多个粒子同时到达时，前端仪器产生脉冲的幅度是与粒子的数量成正比的，而TDC只认为此时到达了一个粒子，从而丢失了信息。当利用北京坤驰科技研发的高速数据采集卡QT1125进行测量时，可以同时采集到脉冲的幅度和时间信息，因此可以进行高速、高时间分辨率的定量分析。