CN106153709B - 时间间隔测量 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于时间间隔测量的技术。接收、取样和数字化第一信号分量和第二信号分量。所述第一信号分量源自引起或指示所述第二信号分量的产生的触发信号。基于由所述所取样和数字化第一信号分量界定的参考时间以及基于由所述所取样和数字化第二信号分量界定的参考时间来确定所述第一信号分量与所述第二信号分量之间的时间间隔。

Description

时间间隔测量

技术领域

本发明关于一种用于时间间隔测量，尤其出于质谱分析目的用于测量飞行时间的装置或方法。

背景技术

时间间隔测量用于各种应用中，尤其用于需要高准确性和精确性的科学测量。通常借助于时间-数字转换器(TDC)使用数字时间测量，其中触发信号用于启动数字计时器并且使用数字取样的响应信号来确定正测量的时间。因此，准确性受模数转换器(ADC)的取样速率的限制。已知使用插值法来实现优于取样速率的分辨率。此类方法的实例在各种公开案中呈现，例如，“用于以皮秒分辨率测量时间间隔的方法的综述”Jozef Kalisz，《计量学(Metrologia)》，2004年第41期第17至32页。

此时间间隔测量的一个应用是在飞行时间(TOF)质谱分析中。WO-2011/048060中详述时间间隔测量在此种质谱仪中的使用。此处，通过以下任一个起始获取与不同质荷比(m/z)的离子对应的脉冲的过程：

a)作为激光脉冲的响应产生的电子组件(例如，光电二极管)的信号，其负责离子从表面的解吸附或电离或气体的电离；或

b)表示离子从离子源(此种源可以是正交的提取电极或射频阱)的萃取的电子脉冲。

现有的时间间隔测量使用两个ADC，每一个通过1GHz时钟运行并且因此每1ns提供样本。ADC接口经配置以与两个并行数据总线通信，每一个在250MHz下以双数据速率(DDR)运行并且因此每2ns提供两个样本。FPGA部分连接到ADC接口并且由此每一时钟周期(4ns时间段)同时捕获4个ADC样本。为了在(250ps分辨率所需的)4GHz时域内构建相关性，实施插值技术。参考图1，示出用于详述如何可以实施时钟周期内的此种插值的示意时序图。在FPGA内捕获“触发输入”事件且所述“触发输入”事件延迟250ps、500ps和750ps。随后将输入信号(例如，质谱)匹配到四个延迟的“触发输入”信号。这允许获得250ps的时间分辨率。

为了展示此数字化器在1ns取样速率下的性能以及插值的效果，进行一些实验。现在将描述这些实验。高斯脉冲由测试装置产生且随后被馈送到数字化器的第一信道。相同测试装置产生触发脉冲以引起高斯脉冲的产生，所述测试装置具有将触发脉冲延迟11ps的若干倍的能力。对于触发脉冲的每个延迟，高斯脉冲的计时为100倍。

参考图2，示出在延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图。触发脉冲延迟0ps至5000ps之间的范围。在获取侧，以1000ps的分辨率(这是ADC的本机取样率)记录触发。质心时间的标准差通常较低。然而在五个显著位置处，标准差将近达到最高(50％的取样率)。波峰具有约120ps的宽度。这些大的标准差波峰是不可避免的并且可以与取样率有关。在这些位置处，发生两个样本之间的过渡，每一个具有1000ps的宽度。总体标准差是290.54ps。

为了改进触发的检测准确性，实施插值电路。如上文参考图1所阐述，此插值电路将触发映射到四个250ps宽区间中的一个。参考图3，示出在延迟针对插值情况变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图。与图2相比，可以看出平均质心步数增加(4倍)且步长和步宽减小。实际上，不可能将这些区间校准至恰好250ps宽度。因此，图3的平均质心曲线图中的步子不具有相同宽度。质心标准差波峰数相应增加，但这些波峰的高度较低(约125ps)。这些波峰的宽度约为100ps并且它们间隔约250ps。此实验的总体标准差是82.34ps，这仅是以1000ps触发分辨率进行的相同实验的总体标准差的约四分之一。

这意味着约250ps的分辨率实际上使用插值是可能的。然而，可以看出由于硬件限制高分辨率触发的校准并不完善。不具有此难点的高分辨率测量仍是持续的挑战。

发明内容

相对于此背景技术，根据权利要求1提供用于时间间隔测量的装置。进一步提供根据权利要求11的用于时间间隔测量的对应方法。还考虑如由权利要求9所定义的用于飞行时间质谱仪的离子检测系统。权利要求中界定其它任选的以及有利的特征。

触发信号分量和定时信号分量两者被馈送到模数转换器(ADC)。所述触发信号分量是或源自引起或指示定时信号分量的产生的触发信号。ADC对触发信号分量和定时信号分量进行取样和/或数字化。使用由所取样和数字化触发信号分量界定的参考时间以及由所取样和数字化定时信号分量界定的参考时间来确定第一信号分量与第二信号分量之间的时间间隔。

对触发信号分量进行取样产生通过触发信号的计时平均连续地变化的参考时间。这与定时信号分量不同，对于参考时间所源自的定时信号分量，所述参考时间随着定时信号分量的计时变化而逐步改变。具体而言，参考时间中的一个或两个通常使用取样信号分量的统计参数(例如，质心)来确定(优选地使用半整体式质心台(centroider)来确定)。插值可以任选地用于确定参考时间中的一个或两个。可以对多个多个时间间隔进行多个测量(每个具有相应触发信号分量和定时信号分量)并且可以确定平均时间间隔。

优选地，将触发信号分量和定时信号分量组合成单个信号。可以将此单个信号提供到ADC的一个信道。任选地，定时信号分量单独可以将信号输入提供到ADC的第二信道。触发信号分量可以是触发信号的延迟形式，这可以更容易地允许对触发信号的检测。

附图说明

本发明可以通过多种方式实施并且现将仅借助于实例且参考附图来描述优选实施例，在附图中：

图1示出用于详述如何可以在已知配置中实施时钟周期内的插值的示意时序图；

图2示出基于不含插值的已知时间测量技术当在实验中延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图；

图3示出基于含有插值的已知时间测量技术当在实验中延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图；

图4说明根据本发明的使用时间测量的检测系统的第一实施例；

图5说明根据本发明的使用时间测量的检测系统的第二实施例；

图6描绘来自实验设定的取样触发波形和高斯脉冲波形的实例；

图7示出基于根据本发明的不含插值的时间测量技术当在实验中延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图；以及

图8示出基于根据本发明的含有插值的时间测量技术当在实验中延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图。

具体实施方式

实际上，本发明对触发信号(或触发信号的延迟形式以避免测量困难)进行取样并且使用所述触发信号来确定第一参考时间。此第一参考时间随后可以与源自待记录的取样波形的参考时间相比较。有利的是，触发信号(可以称为“触发输入”脉冲)与待记录的波形混合。尤其在飞行时间质谱分析应用中，两个信号不重叠。所记录的分析信号在触发脉冲之后几微妙到达，所述分析信号在长度上仅为几十纳秒。

一般来说，这可以理解为用于时间间隔测量的装置或方法。(在输入端处)接收到第一信号分量和第二信号分量，所述第一信号分量源自引起或指示第二信号分量的产生的触发信号。以此方式，第一信号分量或触发信号分量可以指示第二信号分量的产生。举例来说，触发信号可以优选地在根据飞行时间分离离子之后触发激光脉冲或电子脉冲，所述激光脉冲或电子脉冲产生由离子检测器检测到的离子的脉冲。具体而言，触发信号可以源自由激光脉冲照射的光电二极管。起始激光的触发对于TOF应用可能不够准确。第二信号分量因此可以源自离子检测器并且可以对应于离子质谱中的波峰。

模数转换器ADC对接收到的第一信号分量和第二信号分量进行取样和数字化。随后，基于由所取样和数字化第一信号分量界定的参考时间以及基于由所取样和数字化第二信号分量界定的参考时间，(通过处理器)在第一信号分量与第二信号分量之间确定时间间隔。延迟元件可以经配置以接收触发信号并且向输入端提供触发信号的延迟形式作为触发信号分量。延迟元件可以是传输线，例如，同轴电缆。信号组合器优选地经布置以将信号分量组合成单个信号。

现将描述根据此一般技术的两个可能实施例。参考图4，说明根据本发明的使用时间测量的检测系统的第一实施例。这种检测系统包括：检测器10；触发源20；前置放大器30；触发延迟注入电路40；ADC 50；现场可编程门阵列(FPGA)60；以及数据分析系统80。ADC 50和FPGA 60可以共同视为时间测量装置70。

触发源20产生触发信号A，所述触发信号引起检测器10记录检测到的脉冲信号B。在触发延迟注入电路40处接收触发信号A，其中所述触发信号延迟且与检测到的脉冲信号B组合以提供组合信号C。组合信号C在ADC 50处数字化且由FPGA 60处理以确定脉冲A与B之间的时间间隔。将触发信号A进一步供应到FPGA 60以启动计时过程。

图5说明根据本发明的使用时间测量的检测系统的第二实施例。这在多个方面与图4的实施例类似并且使用相同特征的地方已采用相同参考标号。除了图4的特征之外，进一步提供第二前置放大器35和第二ADC 55。触发信号A仍与检测到的脉冲信号B混合以提供组合信号C，所述组合信号提供为第一ADC 50的输入。此外，检测到的脉冲信号被单独地放大以提供供应到第二ADC 55的第二检测到的脉冲信号D。通常，高速ADC被制造为“真实的”双装置并且因此样本被完全对准。将触发馈送到一个信道中将在第二信号上提供相同精确性。此外，再次将触发信号A供应到FPGA 60以启动计时过程。

因此，本发明通常可以实施于离子检测系统中(尤其对于飞行时间质谱仪)，所述离子检测系统包括：离子检测器；以及如本文所描述的用于时间间隔测量的装置。第二信号分量可以源自离子检测器的输出。可以进一步提供包括此种离子检测系统的飞行时间质谱仪。例如，本发明可以用于如WO-2011/048060或WO-2012/080443中描述的飞行时间质谱仪的离子检测系统或数据采集系统中。

实验布置可以用作示出时间间隔确定如何运作的实例。参考图6，描绘了来自此实验设定的取样触发波形100和高斯脉冲波形120的实例。这示出取样触发波形100与高斯脉冲波形120相比具有更长持续时间以及更快的上升时间和下降时间。此外标记取样触发波形100的质心110和高斯脉冲波形120的质心130。所述质心通过半整体式质心台(其可以是FPGA 60的一部分)确定。如一般用于质谱分析中的光电倍增管(PMT)或次级电子倍增管通常叠加电子脉冲的分布，这往往会产生大致高斯形状的脉冲。此类脉冲可以具有长于上升的下降(尾区)并且因此不太可能完全对称，但高斯脉冲的近似是合理模型。替代模型可以包括两个叠加的高斯脉冲，例如，具有相同最大值和/或不同标准差，或具有不同质心。关于脉冲形状的更多细节可以在以下文献中找到：“MALDI-TOF-MS分析的改进的质量准确性”，Martin Kempka，斯德哥尔摩皇家理工大学，2005年。

在此实验布置中，测试板经编程以响应于可以由相同测试板(在回环模式下)或由另一测试板产生的触发信号而产生高斯脉冲。测试板的输出连接到前置放大器的第一信道。触发信号不仅连接到测试板的触发输入，而且还连接到前置放大器的第二信道。由于采集硬件具有约50ns的死区时间，因此触发信号使用同轴电缆延迟至少60ns。

为了将触发信号的电压调整至ADC的输入范围，信号衰减。尝试两个不同的衰减器：20dB衰减器和10dB衰减器。20dB衰减器减小触发信号，使得其可以被完全捕获。当使用10dB衰减器时，信号的上部部分被切断。然而，尽管信号的上部部分被切断，但是发现使用10dB衰减器产生的结果更佳。较高准确性通过更快的信号上升实现。根据参考图2描述的实例，ADC具有1000ps分辨率。随后通过100个实验确定和平均化高斯脉冲的质心与延迟触发之间的差。

还可以通过使用三步式方法指定信号的总体标准差。首先，计算出所有所获取样本的线性回归(将延迟作为自变量并且将样本作为因变量)。对于每个样本，以特定延迟计算出样本与线性回归的结果之间的差。最后，根据所述差计算出标准差和平均值。

现在参考图7，示出在延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图。可以看出，平均值随着延迟的变化而呈直线变化。这是系统的时基质量的指示。如图2和图3中所看到的标准差的峰值已消失。标准差处于10ps与20ps(总体19.75ps)之间，这与使用上文参考图1和图3所述的插值器已实现的标准差相比优四倍。

还可以考虑插值的额外效果。根据图1和图3的实例，相同实验与添加插值一起使用，以将分辨率增加至大致250ps。参考图8，示出在使用插值时延迟变化时高斯脉冲的平均质心时间和质心时间的标准差的曲线图。可以看出，平均质心和质心的标准差并未与图7中示出的平均质心和质心的标准差显著不同。因此，插值的额外使用不会改进准确性或分辨率。换句话说，可以使用插值，但其不是优选的。

一般来说，可以认为触发(第一)信号分量包括脉冲。触发信号脉冲的上升时间和/或下降时间可以不超过ADC的分辨率(取样周期)(和/或第二信号分量的上升时间和/或下降时间)或不超过ADC的分辨率的一半、两倍或三倍。一般来说，使用小于1ns、1ns、2ns、3ns、4ns、5ns或10ns的上升和/或下降时间。脉冲可以具有至少ADC的分辨率(和/或与第二信号分量的持续时间相比)以及优选地至少ADC的分辨率的2倍、3倍、4倍、5倍、10倍、15倍或20倍的持续时间。大于70ns、80ns、90ns、100ns、110ns、120ns或130ns的脉冲是典型的。具有不超过3ns半高全宽的第二信号分量的脉冲实现最佳性能。

触发信号脉冲和/或第二信号分量通常具有非理想形状，例如，基于高斯或基于三角形的形状。在使用TDC的常见时间间隔测量系统中，快速上升信号用于保持低抖动且避免降低精确性。然而，通过确定这些脉冲的质心以便确定参考时间，例如，使用统计方法，即使脉冲的上升时间不短，精确性也可以得到改进。相反地，尤其当使用半整体式质心台时，通过使用统计质心台来改进精确性是可能的。已发现此种质心台可以与各种脉冲形状一起使用并且实现改进的性能。

本发明的主要优点是优良的准确性以及在硬件或固件中不需要特定电路，例如，将通过使用插值器指定的电路。如在所提供的实例中，“触发输入”信号的延迟可以通过使用长电缆实现。触发信号被馈送到接收波形的信道中，从而引入“内部校准”，并且根据此注入的触发测量所有时间。

尽管已描述具体实施例，但技术人员将理解各种修改和改变是可能的。例如，可以使用FPGA的替代物，其可以是可编程的或具体定义的逻辑。可以另外或替代地使用软件。系统的其它配置也是可能的，在所述配置中，组件被组合或以不同方式实施。一个或多个前置放大器的使用可以理解为任选的。尽管对于飞行时间质谱检测尤其考虑时间间隔测量技术的使用，但是所述时间间隔测量技术可以用于其它系统中，例如，科学仪器中。

触发信号无需是引起所测量信号的产生的信号。例如，触发信号可以是在离子产生过程开始时测量或收集到的信号。在这些情况下，触发信号可以简单地指示何时正产生或已产生所测量的信号。在任何情况下，触发信号早于所测量信号产生以及有利地早于所测量信号到达时间间隔测量装置。

尽管半整体式质心台优选地用于计算触发信号质心以及测量到的信号质心，但是可以使用其它类型的质心台(或质心算法)。优选地，用于确定触发信号质心和测量到的信号质心的质心台类型是相同的。当确定触发信号质心参考时间与测量到的信号质心参考时间之间的差时，这可以有利地引起抵消由质心台引入的误差。或者，不同类型的质心台可以用于确定触发信号质心和测量到的信号质心。例如，可以采用将误差拟合到高斯模型的质心台，尤其在所述信号是高斯的情况下确定测量到的信号质心。

在一个实施例中，同轴电缆已用于延迟触发信号。然而，将认识到，可以使用任何其它形式的传输线，尤其在传输线经配置以不呈现大量信号失真的情况下。

如上所述，本发明的主要应用是科学仪器的领域，尤其光谱学和光谱测定(例如，质量分析仪)以及用于具体而言TOF质谱仪中的离子检测系统。然而，替代应用可以用于激光测距仪。使用时间间隔测量的其它应用是可能的。

应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所揭示的各特征可被用于相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所揭示的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。

如在本文(包含在权利要求书中)所使用，除非上下文另外指示，否则在本文中术语的单数形式应理解为包含复数形式，反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则包含在权利要求书中的本文中的单数参考，例如“一(a)”或“一个(an)”(例如，模数转换器)表示“一个或多个”(例如，一个或多个模数转换器)。在本发明的说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含(including)”、“具有(having)”和“含有(contain)”以及词语的变型，例如，“包括(comprising)”和“包括(comprises)”或类似者表示“包含但不限于”且未既定用于(以及不会)排除其它组件。

本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“举例来说”、“如”、“例如”以及类似语言)的使用预期仅更好地展示本发明，并且除非另外要求，否则并不表示对本发明的范围的限制。本说明书中的任何语言均不应理解为指示实践本发明所必需的任何未主张要素。

本说明书中描述的任何步骤可以按任何次序执行或同时执行，除非另外规定或上下文另外要求。

本说明书中所揭示的全部特征可以以任何组合形式组合，但这些特征及/或步骤中的至少一些会互斥的组合除外。具体而言，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面且可以以任何组合形式使用。同样，可以单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。

Claims (11)

1.一种用于时间间隔测量的装置，其包括：

输入端，用于接收第一信号分量和第二信号分量，所述第一信号分量源自引起或指示所述第二信号分量的产生的触发信号；

模数转换器ADC，其被布置成对所述接收到的第一信号分量和第二信号分量进行取样和数字化；以及

处理器，其经配置以基于由所述取样和数字化第一信号分量界定的参考时间以及基于由所述取样和数字化第二信号分量界定的参考时间来确定所述第一信号分量与所述第二信号分量之间的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器经配置以基于所述取样和数字化第一信号分量的统计参数确定由所述取样和数字化第一信号分量界定的所述参考时间并且基于所述取样和数字化第二信号分量的统计参数确定由所述取样和数字化第二信号分量界定的所述参考时间。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述取样和数字化第一信号分量的所述统计参数是所述取样和数字化第一信号分量的质心，并且其中所述取样和数字化第二信号分量的所述统计参数是所述取样和数字化第二信号分量的质心。

4.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括半整体式质心台，其经配置以确定所述取样和数字化第一信号分量的所述质心。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述处理器经配置以使用插值确定由所述取样和数字化第一信号分量界定的所述参考时间以及由所述取样和数字化第二信号分量界定的所述参考时间。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其进一步包括：

延迟元件，其被布置成接收所述触发信号并且向所述输入端提供所述触发信号的延迟形式作为所述第一信号分量。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述输入端包括信号组合器，其被布置成接收所述第一信号分量和所述第二信号分量以及将所述第一信号分量和所述第二信号分量组合成单个信号。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中在所述ADC的第一信道上对所述第一信号分量进行取样和数字化并且在所述ADC的第二单独信道上对所述第二信号分量进行取样和数字化。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述处理器经配置以确定多个时间间隔，每个时间间隔在相应第一信号分量与相应第二信号分量之间，所述处理器进一步经配置以基于所述多个所确定时间间隔的平均值确定平均时间间隔。

10.一种用于飞行时间质谱仪的离子检测系统，其包括：

离子检测器；以及

任一前述权利要求所述的装置，其中所述第二信号分量源自所述离子检测器的输出。

11.一种用于时间间隔测量的方法，其包括：

接收第一信号分量和第二信号分量，所述第一信号分量源自引起或指示所述第二信号分量的产生的触发信号；

对所述接收到的第一信号分量和第二信号分量进行取样和数字化；以及

基于由所述取样和数字化第一信号分量界定的参考时间以及基于由所述取样和数字化第二信号分量界定的参考时间来确定所述第一信号分量与所述第二信号分量之间的时间间隔。