SPC-QC-104 模块

规格

SPC-QC-104 模块专业产品介绍

产品概述

Becker & Hickl 推出的 SPC-QC-104 是一款兼具三通道 TCSPC/FLIM 与四通道时间标记功能的高性能模块，集成于单块 PCI Express 板上。该模块在标准配置下提供三个并行 TCSPC/FLIM 通道与一个公共参考通道，亦可配置为四个并行绝对光子定时通道使用。SPC-QC-104 具备高时间和空间分辨率、高峰值计数率以及超高的定时稳定性，适用于记录光信号时间波形、顺序记录多波长数据、时间和参数标记记录、FLIM、空间和时间镶嵌 FLIM、触发累积快速时间序列曲线和图像，以及同步 FLIM/PLIM 等多种应用场景。

核心性能指标

SPC-QC-104 的时间通道宽度低至 4 ps，IRF 宽度小于 39 ps FWHM，典型定时抖动为 16 ps RMS。该模块具备出色的定时稳定性，在 16 ns 时间范围内，超过 10 分钟的定时漂移小于 5 ps RMS。低死区时间设计配合可调的 SYNC 延迟（±128 ns），使其能够灵活适配多种实验配置。峰值计数率高达 120 MHz，为快速动态过程的捕捉提供了充足的计数吞吐量。

光子通道与同步通道

光子通道采用恒分数鉴别器（CFD）原理，鉴频器输入带宽为 4 GHz，最佳输入电压范围为 -30 mV 至 -500 mV，最小输入脉冲宽度为 200 ps。阈值可调范围为 0 至 -500 mV，零交叉调整范围为 -100 mV 至 100 mV。

同步通道同样采用恒分数鉴别器（CFD）原理，鉴频器输入带宽为 4 GHz，最佳输入电压范围和最小输入脉冲宽度与光子通道一致。频率范围为 0 至 150 MHz，支持 1、2、4 分频，可调延迟范围为 ±128 ns。

时间测量电路

SPC-QC-104 采用时间数字转换器（TDC）原理进行时间测量，而非传统 TCSPC 模块所使用的 TAC/ADC 原理。TDC 原理的优势在于定时电子元件可以在 FPGA 中实现，因此可以在单块 TCSPC 板上集成多个记录通道。TDC 的另一特点是工作计数率极高，每个激光脉冲甚至可以检测到多个光子。TDC 原理下，时间范围在 4096 个时间通道配置下为 16 ns 至 68 µs，最小时间/通道为 4 ps，差分非线性度小于 1% RMS，死区时间为 8 ns。

数据采集方式一：直方图模式

直方图模式采用板载多维直方图绘制过程，每个通道的峰值计数率为 120 MHz，连续饱和计数率为 40 MHz。最大计数/时间通道（计数深度）为 2¹⁶ - 1，最大时间通道数为 65,536。溢出控制支持无、停止、重复和纠正选项。采集时间范围为 0.1 µs 至 100,000 秒，显示间隔时间为 10 ms 至 100,000 秒，重复时间为 0.1 µs 至 100,000 秒。与扫描同步模式下，支持来自扫描设备的像素、行和帧时钟信号。路由为 4 位 TTL，支持计数使能控制（1 位 TTL）和实验触发（TTL）。

数据采集方式二：FIFO/参数标记模式

FIFO 参数标记模式对单个光子进行参数标记并连续写入磁盘。在线显示内容包括衰变函数、FCS、交叉-FCS、PCH MCS 轨迹。FCS 计算采用多头算法，实现在线计算和在线拟合。衰变次数/波形记录无限制，峰值计数率为 120 MHz，持续计数率（总线传输限制）为 40 MHz。最大计数/时间通道（计数深度）无限制，最大时间通道数为 4096。板载 FIFO 缓冲器容量为 1,750,000 个光子。宏定时器分辨率为 2 ns（内部时钟），溢出时在数据流中以 MOTF 条目标记。路由为 4 位 TTL/CMOS，外部事件标记为 4 位 TTL/CMOS，实验触发器为 TTL/CMOS。

数据采集方式三：FIFO 成像模式

FIFO 成像模式根据时间和波长标记数据建立图像，在线显示相关区域的强度图像或寿命图像以及衰减曲线。与扫描仪同步通过帧时钟、行时钟和像素时钟脉冲实现。路由/波长/激光多路复用通道数为 1 至 16。在单通道单幅图像配置下，图像尺寸与时间通道数的对应关系为：4096 个分区对应 512 × 512 像素，1024 个分区对应 1024 × 1024 像素，256 个分区对应 2048 × 2048 像素，64 个分区对应 4096 × 4096 像素。

转换原理与技术比较

SPC-QC-104 使用直接时间数字转换原理，与使用 TAC/ADC 原理的 SPC-130、SPC-150、SPC-160 和 SPC-180 系列 TCSPC 模块不同。TAC-ADC 原理在启动脉冲（通常是光子）和停止脉冲（通常是激光器的参考脉冲）之间使用线性电压斜坡，电压转换成数字数据字，表示激光脉冲序列中光子的时间。而 TDC 原理中，探测器发出的光子脉冲和激光器发出的参考脉冲通过延迟元件链发送，定时逻辑查看延迟链中的数据，识别光子和激光脉冲的起始-停止对，从而确定光子在激光脉冲序列中的时间位置。

TDC 原理的优势在于可以在 FPGA 中实现定时电子元件，因此可以在单块 TCSPC 板上实现多个记录通道，且工作计数率极高。缺点是时间分辨率比 TAC-ADC 原理低得多。SPC-180NXX 的 IRF 宽度为 2.8 ps FWHM，而 SPC-QC-104 的 IRF 宽度为 39 ps FWHM。虽然 39 ps FWHM 对于 TDC 来说是一个极好的值，但 SPC-QC-104 并未充分利用超快探测器（如 SSPD、MCP-PMT 和超快混合探测器）的全部时间分辨率。

定时稳定性方面，SPC-QC-104 中新的 TDC 逻辑结构在很大程度上克服了传统的稳定性问题。SPC-180NXX 的 IRF 第一时刻稳定性优于 0.4 ps RMS，而 SPC-QC-104 则优于 5 ps RMS。尽管 SPC-QC-104 无法达到 SPC-180NXX 的稳定性，但其可能出现的时序漂移仍远低于 IRF 宽度，因此在实验应用中很少引发问题。

应用定位与选型建议

SPC-QC-104 尤其适用于需要多个并行检测通道，而使用 SPC-150 或 SPC-180 系列构建多模块系统显得过于笨重或功耗过高的应用场景。该模块可用作大量荧光衰减和 FLIM 应用的核心采集设备。需要注意的是，SPC-QC-104 无法充分利用超快单光子探测器（如 SSPD、MCP-PMT 或混合 PMT）的时间分辨率。在使用此类探测器时，应选用 bh SPC 系列中的 SPC-150NX、SPC-150NXX、SPC-180NX 或 SPC-180NXX 模块。

软件生态与数据分析

SPC-QC-104 在 bh 的 SPCM TCSPC/FLIM 数据采集和控制软件下运行，SPCM 可在线计算和显示（2D、3D）在多种操作模式下获取的数据。如需快速在线视频 FLIM 流，可使用 ExpressFLIM 作为采集软件。数据分析由 bh 的 SPCImage NG 软件执行。对于高级可视化和动态效应分析，可使用 SPCDynamics。对于高级荧光相关光谱（FCS）和交叉相关（FCCS）数据分析，可使用 Burst Analyzer。此外，还提供 DLL 和 LabVIEW 驱动程序用于自动化和定制软件集成，并支持使用 bhPy 进行自定义编程。

操作环境与物理规格

SPC-QC-104 模块支持 Windows 10 和 Windows 11 操作系统，总线接口为 PCIe，总功耗约为 12 W（+12 V）。模块物理尺寸为 205 mm × 110 mm × 15 mm。