飞行时间质谱仪（TOF-MS: Time-of-Flight Mass Spectrometer）是一种高分辨率、高灵敏度、分析速度快及理论上无质量检测上限的质谱仪，在同位素分析、基因及基因组学、核物理和环境科学等研究领域有广泛的应用。与国外相比，国内关于TOF-MS的研究仍然在起步阶段，还没有成形的仪器产品，全部靠进口购买。国内对TOF-MS的数据采集系统的研究也相对较少，在性能上还有待于提高。目前大多数TOF-MS仪器的数据采集系统使用高精度的时间数字转换器（TDC: Time-to-digital converter）来测量离子的飞行时间，以实现对离子种类的辨别。TDC的性能影响飞行时间质谱仪的灵敏度和质量精度等参数，因此研究高性能的时间数字转换器对TOF-MS具有重要意义。本文针对飞行时间质谱仪高分辨率、宽质量范围的特点，设计了一种基于TDC技术的高精度、大量程的数据采集系统。整个数据采集系统分为前端信号调理模块、时间数字转换模块和FPGA时序控制模块。前端信号调理模块首先对离子检测器的信号进行放大，通过比较器对放大后的信号进行幅度甄别来筛选离子信号，之后将筛选出的信号进行电平转换输出至TDC的stop通道；时间数字转换模块以德国ACAM公司生产的专用时间间隔测量芯片TDC-GPX为核心，负责测量离子飞行时间，测量后的数据传输至FPGA；FPGA时序控制模块负责系统的时序控制，采用自顶向下的结构进行程序的编写，程序主要由TDC-GPX的初始化与控制、FIFO数据缓存和USB2.0数据传输三个功能单元构成，其中USB2.0读写模块采用时分复用技术实现了双向数据传输。系统测试结果表明，单通道测量精度小于100ps，测量范围大于500μs，可同时进行8个通道测量，对应一个start脉冲能够测量超过128个stop脉冲，可以满足飞行时间质谱仪数据采集系统的需求。此外，所设计的数据采集系统也适用于其他TOF系统中。