[发明专利]用于光子相关纳米粒度仪的数字相关器

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种动态光散射原理(光子相关光谱法PCS和光子交叉相关光谱法PCCS)测量纳米颗粒粒度测试技术中以硬件方式获取散射光信号的自相关函数和互相关函数的装置，具体地说是一种基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的数字相关器。

(二)技术背景

基于动态光散射原理(光子相关光谱法PCS和光子交叉相关光谱法PCCS)的纳米粒度仪的关键技术是提取悬浮在溶液中的纳米颗粒的散射光的自相关函数或互相关函数，计算纳米颗粒的扩散系数，从而分析颗粒粒度。数字相关器就是基于动态光散射原理(光子相关光谱法PCS和光子交叉相关光谱法PCCS)的粒度测试技术中提取散射光信号的自相关函数和互相关函数的装置。目前，国内应用较多此类装置主要是进口美国Brookhaven公司BI-9000AT、BI-9010AT和Turbocorr数字相关器，这些装置都只能完成自相关运算而无法进行互相关运算，因此只适用于PCS法测试纳米颗粒粒度，而无法适用于PCCS法测试纳米颗粒粒度，从而对测试环境、所测样品浓度以及测试稳定性等方面具有较大的局限性，只有采用PCCS法原理和互相关运算，对PCS法存在的缺陷加以弥补。此外，这些装置都是基于定制的专用大规模集成电路(ASIC)，或基于DSP技术，或多片芯片及联组成，不但很有很大的局限性，而且价格昂贵。另外，国内有人尝试采用软件的方式实现数字相关器，即先用光子计数器将散射光光子计数并存储在存储器中，然后根据计算机软件将其数据从存储器中读出进而进行相关运算，虽然这样能计算出散射光强的相关函数，但由于软件所需的处理时间比硬件所需的处理时间长很多，导致在如此长的处理时间内的光子测量被暂停(即处理时间内的光子丢失)，造成计算的相关函数偏差较大，因此，采用软件的数字相关器实时性很差，不能满足颗粒粒度分析的要求。

(三)发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种以硬件的方式实现用于光子相关纳米粒度仪的数字相关器，完成自相关运算和互相关运算，用于光子相关光谱和光子交叉相关光谱技术中实时地计算散射光强的自相关函数和互相关函数，具体是基于现场可编程门阵列(FPGA)技术，主要实现采样时间的设置与选择、光子计数、自相关运算、互相关运算、同步复位及与计算机通讯等功能，其采样时间、线性自相关通道和延迟时间完全满足纳米及亚微米颗粒粒度测试的需求。

现场可编程门阵列(FPGA)是一种具有高运算速度、大存储空间、内部含有大量数字信号处理器(DSP)的芯片，以设计软件的形式实现硬件设计，可进行模块化设计，将整个系统按实现功能划分成若干个模块，逐个编写模块代码，并可在相应的软件上实现实时仿真，从而验证各个模块功能实现的准确与否，最后以原理图的形式将各模块整合成整个系统，固化在FPGA内部，完成整个数字处理器的设计，形成专用的数据处理器。这正符合用于光子相关纳米粒度仪的数字相关器高速运算、数据存储量大的要求，基于该技术的数字相关器完全满足纳米及亚微米颗粒粒度测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用于光子相关纳米粒度仪的数字相关器，包括：

一个固化在FPGA芯片内的采样时间设置模块；

至少两个固化在FPGA芯片内的光子计数模块；

一个固化在FPGA芯片内的相关运算模块；

一个固化在FPGA芯片内的USB通讯模块；

上述光子计数模块均与采样时间设置模块相连接，光子计数模块又与相关运算模块的信号输入端相连接，相关运算模块的信号输出端与USB通讯模块相连接。

上述FPGA芯片中还固化有同步复位模块，同步复位模块与光子计数模块、相关运算模块和USB通讯模块相连接。

上述采样时间设置模块包括多个采样时间生成模块和一个选择器，各个采样时间设置模块的输出端都与选择器的输入端相连接，选择器的控制端与USB通讯模块的输出端相连接，根据控制端实现采样时间的选择。