CN114256052A - 脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪，其中，该装置包括：时钟单元，用于提供基准时钟；第一延时单元，由所述基准时钟驱动，并根据所需粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出；第二延时单元，用于根据所需细延时对所述第一延时单元输入的脉冲信号进行延时；延时控制器，由所述基准时钟驱动，用于根据预期延时获得所述粗延时和所述细延时，可以在基准时钟的频率相对较低的情况下，实现脉冲延时达到皮秒级精度。

Description

脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪

技术领域

本公开涉及分子诊断仪器技术领域，尤其涉及一种脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪。

背景技术

高精度脉冲延时在航天、空间研究、通信、生物医药等诸多领域有着重要的应用，如卫星高度计、空间高能粒子谱仪、量子通讯领域中的时间定标、飞行时间质谱仪等。

其中，在飞行时间质谱仪中，一般采用控制器内部时钟进行对飞行时间进行检测和解析。例如，通过对控制器内部时钟提供的脉冲计数的方式进行延时。然而，上述现有技术中存在以下技术问题：

即使内部时钟具有高稳定度或者采用较高速的逻辑及时电路，当需要达到10ns甚至于1ns的脉冲延时输出时，由于受到内部时钟最高频率限制，脉冲延时难以达到皮秒级精度。

发明内容

本公开提供了一种脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种脉冲延时装置，用于飞行时间质谱仪，所述装置包括：

时钟单元，用于提供基准时钟；

第一延时单元，由所述基准时钟驱动，并根据所需粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出；

第二延时单元，用于根据所需细延时对所述第一延时单元输入的脉冲信号进行延时；

延时控制器，由所述基准时钟驱动，用于根据预期延时获得所述粗延时和所述细延时。

在一可实施方式中，输入所述第一延时单元的所述脉冲信号由所述基准时钟提供。

在一可实施方式中，所述第一延时单元包括计数器，所述计数器由所述基准时钟驱动，对所述输入的脉冲信号进行多次计数延时后输出，其中，所述计数器的计算次数由所述粗延时确定。

在一可实施方式中，所述第二延时单元包括多个可编程门电路，用于对所述第一延时单元输入的脉冲信号进行延时传输，其中，所述可编程门电路的个数由所述细延时确定。

在一可实施方式中，所述装置还包括：脉冲鉴别和整形单元，用于使得待输入所述第一延时单元的脉冲信号经过鉴别和整形之后，输入所述第一延时单元。

在一可实施方式中，所述装置还包括：温度检测单元，用于检测工作环境温度，并输入所述延时控制器以获得温度补偿时间。

在一可实施方式中，所述延时控制器包括：

温度补偿寄存器，用于存放所获取的温度补偿时间；

预期延时寄存器，用于存放固定延时；

计算模块，用于根据预期延时获得粗延时和细延时，并根据粗延时计算出计数器的计数次数，以及根据细延时计算出可编程门电路的数量；

计数次数寄存器，用于存放所计算出的计数器的计数次数；

皮秒补偿寄存器，用于存放所计算出的可编程门电路的数量。

根据本公开的第二方面，提供了一种脉冲延时方法，用于飞行时间质谱仪，所述方法包括：

根据预期延时获得粗延时和细延时；

利用基准时钟提供驱动，并根据所述粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出；

根据所述细延时对经过所述粗延时之后的脉冲信号进行延时。

在一可实施方式中，所述根据预期延时获得粗延时和细延时，包括：

将所述预期延时等分为N份，前N-1份的时间组成所述粗延时，第N份的时间组成所述细延时，细延时小于或等于可编程门电路的最大延时时间，其中，所述预期延时为扣除固定延时及温度补偿时间之后的时间，且N为大于1的正整数。

根据本公开的第二方面，提供了一种飞行时间质谱仪，所述质谱仪包括上述的脉冲延时装置。

本公开的脉冲延时装置、方法及包含该装置的飞行时间质谱仪，采用由基准时钟驱动的第一延时单元对输入的脉冲信号进行粗延时，采用第二延时单元对脉冲信号进行细延时，并且采用由基准时钟驱动的延时控制器，根据预期延时获得粗延时和细延时，从而在基准时钟的频率相对较低的情况下，实现长时间范围内的脉冲延时达到皮秒级精度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1示出了一种脉冲延时装置的电路原理示意图；

图2示出了本公开实施例的一种脉冲延时装置的电路原理示意图一；

图3示出了本公开实施例的一种脉冲延时装置的电路原理示意图二；

图4示出了本公开实施例的一种脉冲延时装置的电路原理示意图三；

图5示出了本公开实施例的一种脉冲延时装置的电路原理示意图四；

图6示出了本公开实施例的一种脉冲延时装置的电路原理示意图五；

图7示出了本公开实施例的一种脉冲鉴别和整形单元的电路原理示意图；

图8示出了本公开实施例的一种脉冲延时方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1示出了一种脉冲延时装置的电路原理示意图，其利用电流通过门电路时会产生传输延时的效果，通过累加较小数量的门电路进行传输延时，可以实现较小时间片段内分辨率达到皮秒级的延时。但是，其需要至少1Ghz频率组合逻辑计数，才能获得分辨率达到皮秒级的延时，电路实现较为困难。

对此，本公开提供了一种改进的脉冲延时装置，其能够以较低频率的时钟实现分辨率达到皮秒级的延时。

参见图2，其示出了本公开的一个实施例的一种脉冲延时装置。该脉冲延时装置可以用于飞行时间质谱仪。

如图2所示，该脉冲延时装置包括：

时钟单元100，用于提供基准时钟。其中，优选高稳定度的基准时钟，例如，基准时钟的稳定度优于10^-9。具体地，时钟单元100的频率源可以但不限于为原子钟、恒温晶体、温补晶体、GPS或者BDS驯服的频率源其中之一。

第一延时单元200，由时钟单元100提供的基准时钟驱动，并根据所需粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出。其中，输入第一延时单元200的所述脉冲信号可以由所述基准时钟提供。

第二延时单元300，用于根据所需细延时对所述第一延时单元200输入的脉冲信号进行延时。

延时控制器400，由时钟单元100提供的驱动，用于根据预期延时获得所述粗延时和所述细延时。

其中，可以将预期延时等分为N份，前N-1份的时间组成粗延时，利用第一延时单元200实现，第N份的时间组成所述细延时（即细延时小于或等于可编程门电路的最大延时时间），利用第二延时单元300实现，其中，N为大于1的正整数。

需要指出的是，由于考虑第一延时单元200的实现电路、以及第二延时单元300的实现电路本身对脉冲信号的延迟时间，将预期延时等分为N份前，应当扣除该延迟时间，因而，实际的预期延时小于细延时的N倍。

本公开实施例的脉冲延时装置，由于采用由基准时钟驱动的第一延时单元200对输入的脉冲信号进行粗延时，采用第二延时单元300对脉冲信号进行细延时，并且采用由基准时钟驱动的延时控制器400，根据预期延时获得粗延时和细延时，从而在基准时钟的频率相对较低的情况下，实现脉冲延时达到皮秒级精度，且实现长时间范围的脉冲延时。可编程门电路的数量越多，最大延时时间越长，基准时钟的频率越低。延时精度一般优选10皮秒，或者20皮秒，或者50皮秒，相应的基准时钟频率分别可以是100Mhz，50Mhz，20Mhz。

参见图3所示，在本公开的一种脉冲延时装置的实施例中，第一延时单元200可以包括计数器210。在一个具体实施方式中，第一延时单元200仅包括计数器210，也就是说，第一延时单元200可以通过计数器210实现。计数器210与时钟单元100电连接，由时钟单元100提供的基准时钟驱动，对所述输入的脉冲信号进行多次计数延时后输出。其中，计数器210的计算次数，由所述所需粗延时确定。

在一个具体的实施方式中，计数器210可以但不限于采用FPGA、CPLD、高速逻辑门电路其中之一来实现。

参见图4所示，在本公开的一种脉冲延时装置的实施例中，第二延时单元300可以包括多个可编程门电路310，用于对第一延时单元200输入的脉冲信号进行延时传输。其中，可编程门电路310的个数，由所述细延时确定。

在具体的实施方式中，可编程门电路310可以但不限于通过在FPGA中构建级联链、进位链等方式来实现。其中，级联链可以达到亚纳秒级延时，进位链固定在10皮秒级延时。优选地，可编程门电路310通过在FPGA中构建进位链方式实现，这样使得脉冲延时装置的延时精度达到皮秒级。

参见图5所示，在本公开的一种脉冲延时装置的实施例中，该脉冲延时装置还包括：

脉冲鉴别和整形单元500，用于使得待输入所述第一延时单元的脉冲信号经过鉴别和整形之后，输入第一延时单元200。其中，当第一延时单元200采用计数器210实现时，经过鉴别和整形之后的脉冲信号即输入计数器210。

需要说明的是，脉冲信号经过脉冲鉴别和整形单元500的鉴别和整形，会有电路处理的时间，在根据预期延时计算粗延时和细延时的时候，需要予以扣除。

作为具体的实施方式，参见图7所示，脉冲鉴别和整形单元500可以包括高速比较器及其电连接的高稳态电路。

进一步地，参见图5所示，在本公开的一种脉冲延时装置的实施例中，该脉冲延时装置还包括：

温度检测单元600，用于检测工作环境温度，并输入延时控制器400以获得温度补偿时间tt。具体地，温度检测单元600检测本实施例的脉冲延时装置的工作环境温度，并输入延时控制器400以获得温度补偿时间tt，其中，温度检测单元600可以采用温度传感器实现。

经研究发现，在不同温度条件下，脉冲信号通过可编程门电路310的传输延时具有差异。通过设置温度检测单元600，可以实现在不同温度下测量可编程门电路310的传输时间，以对不同温度条件下的延时差异进行预补偿，从而可以减少环境温度对第二延时单元300的传输延时时间的影响。

可以通过测量不同温度下可编程门电路310的传输时间，并与标准时间对比，确定对应温度下的温度补偿时间tt。通过该方式获得温度补偿时间tt，仅需要测量不同温度下可编程门电路310的传输时间，测量便捷，并且能够完全满足脉冲延时精度要求。

参见图6所示，在本公开的一种脉冲延时装置的实施例中，延时控制器400包括：

温度补偿寄存器410，用于存放所获取的温度补偿时间tt。可以通过测量不同温度下可编程门电路310的传输时间，并与标准时间对比，确定对应温度下的温度补偿时间tt。作为其他的实施方式，还可以通过测量不同温度下经过延时后的脉冲信号的延时时间，并与标准时间对比，确定对应温度下的温度补偿时间tt。

预期延时寄存器420，用于存放固定延时Δt。其中，固定延时Δt为：

Δt=t0+t1+t2

其中，

t0为脉冲信号经过脉冲鉴别和整形单元500的时间；

t1为粗延时设置为0时，计数器210的计数次数为0，脉冲信号经过计数器210的时间；

t2为细延时设置为0时，脉冲信号经过最小数量的可编程门电路310的时间。

计算模块430，用于根据预期延时Ty获得粗延时Tc和细延时Tx，并根据粗延时Tc计算出计数器的计数次数c1，以及根据细延时Tx计算出可编程门电路的数量c2。

具体地，预期延时Ty包括周期延时Tf、固定延时Δt和温度补偿时间tt，其中，

周期延时Tf为：

Tf=Ty-(Δt+tt)

继而，

粗延时Tc为：

Tc=Ts*(N-1)

细延时Tx为：

Tx=Tf*1/N

或者，

细延时Tx为：

Tx=Tf-Ts*(N-1)

在此基础上，获得计数器的计数次数c1为：

c1=Tf/Ts-1

或者，

获得计数器的计数次数c1为：

c1=Tc/Ts

获得可编程门电路的个数c2为：

c2=t1/Td

其中，Ts为所述基准时钟的周期，Td为单个所述可编程门电路的延时，N为大于1的正整数。

计数次数寄存器440，用于存放所计算出的计数器的计数次数c1。

皮秒补偿寄存器450，用于存放所计算出的可编程门电路的数量c2。

需要说明的是，在为了达到本公开的脉冲延时装置与其他电路协同工作的目的，可以将本公开的脉冲延时装置中的基准时钟的频率源通过组合逻辑电路简单分频以后，输出给其他电路，作为同步的基准时钟。

图8示出了本公开的一个实施例的一种脉冲延时方法的实现流程示意图，该脉冲延时方法用于飞行时间质谱仪。该方法包括：

步骤S100、根据预期延时获得粗延时和细延时。其具体可以包括：

将所述预期延时等分为N份，前N-1份的时间组成所述粗延时，第N份的时间组成所述细延时。

需要说明的是，所述预期延时为扣除上述实施例中的固定延时Δt及温度补偿时间tt之后的时间，且N为大于1的正整数。

步骤S200、利用基准时钟提供驱动，并根据所述粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出。其具体可以通过上述实施例中的计数器实现。

步骤S300、根据所述细延时对经过所述粗延时之后的脉冲信号进行延时。其具体可以通过上述实施例中的可编程门电路实现。

其中，所述细延时确定可编程门电路的数量，换言之，为了保证足够的延时精度，可编程门电路的数量有限，其限制所述细延时的范围。也可以这样理解：可编程门电路的数量越多，最大延时时间越长，而所述细延时小于或等于该最大延时时间。

本公开实施例的脉冲延时方法，由于根据预期延时获得粗延时和细延时，采用基准时钟驱动对输入的脉冲信号进行粗延时，并对经过粗延时的脉冲信号进行细延时，这样，细延时在基准时钟的频率相对较低的情况下能够达到皮秒级精度，从而实现脉冲延时达到皮秒级精度，且实现长时间范围的脉冲延时。

本公开的一个实施例还提供一种飞行时间质谱仪，所述质谱仪包括上述实施例中所述的脉冲延时装置。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开所公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种脉冲延时装置，用于飞行时间质谱仪，其特征在于，所述装置包括：

时钟单元，用于提供基准时钟；

第一延时单元，由所述基准时钟驱动，并根据所需粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出；

第二延时单元，用于根据所需细延时对所述第一延时单元输入的脉冲信号进行延时；

延时控制器，由所述基准时钟驱动，用于根据预期延时获得所述粗延时和所述细延时。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，输入所述第一延时单元的所述脉冲信号由所述基准时钟提供。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一延时单元包括计数器，所述计数器由所述基准时钟驱动，对所述输入的脉冲信号进行多次计数延时后输出，其中，所述计数器的计算次数由所述粗延时确定。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二延时单元包括多个可编程门电路，用于对所述第一延时单元输入的脉冲信号进行延时传输，其中，所述可编程门电路的个数由所述细延时确定。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

脉冲鉴别和整形单元，用于使得待输入所述第一延时单元的脉冲信号经过鉴别和整形之后，输入所述第一延时单元。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

温度检测单元，用于检测工作环境温度，并输入所述延时控制器以获得温度补偿时间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述延时控制器包括：

温度补偿寄存器，用于存放所获取的温度补偿时间；

预期延时寄存器，用于存放固定延时；

计算模块，用于根据预期延时获得粗延时和细延时，并根据粗延时计算出计数器的计数次数，以及根据细延时计算出可编程门电路的数量；

计数次数寄存器，用于存放所计算出的计数器的计数次数；

皮秒补偿寄存器，用于存放所计算出的可编程门电路的数量。

8.一种脉冲延时方法，用于飞行时间质谱仪，其特征在于，所述方法包括：

根据预期延时获得粗延时和细延时；

利用基准时钟提供驱动，并根据所述粗延时对输入的脉冲信号进行延时后输出；

根据所述细延时对经过所述粗延时之后的脉冲信号进行延时。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据预期延时获得粗延时和细延时，包括：

将所述预期延时等分为N份，前N-1份的时间组成所述粗延时，第N份的时间组成所述细延时，其中，所述预期延时为扣除固定延时及温度补偿时间之后的时间，且N为大于1的正整数。

10.一种飞行时间质谱仪，其特征在于，所述质谱仪包括权利要求1-7任一项所述的脉冲延时装置。

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