基于光柵測量技術(shù)的小口徑光柵測徑的具體應(yīng)用畢業(yè)論文

1、摘要本文提出一個基于光柵測量技術(shù)的小口徑光柵測徑的具體應(yīng)用。本文對小口徑光柵測徑系統(tǒng)中的光柵傳感器、 信號預(yù)處理電路、CPLD勺計數(shù)和辨向電路、單 片機控制及信號處理電路進行了初步研究， 還重點研究并設(shè)計莫爾條紋信號細分 與辨向新技術(shù)光柵。測量技術(shù)是以光柵形成的莫爾條紋為基礎(chǔ)的。本文的關(guān)鍵技術(shù)是CPLD勺四細分可逆辨向電路設(shè)計和 A/D采樣的一些控制以 及四細分數(shù)據(jù)和二十細分數(shù)據(jù)的處理。本文提出的一種新的電子學(xué)細分和應(yīng)用 CPLD勺辨向方法，設(shè)計可以對位移測 量和測量分辨力實現(xiàn)更高、更靈活的要求，實驗結(jié)果表明本課題的研究對更高精 度的光柵測量系統(tǒng)的研制開發(fā)具有較高的借鑒價值。關(guān)鍵字：光柵傳感器

2、；莫爾條紋信號；量化細分技術(shù)；CPL的計數(shù)和辨向電路；A/D采樣AbstractThis paper puts forward a Specific applicati on based on the Small grati ng caliper gauge of grat ing measuri ng tech no logy。 In this thesis, the grati ng sen sor and sig nal system pretreatment circuit, CPLD count and cause circuit and single-chip microcompu

3、ter control of Small grating caliper system is stuied, Also the paper focuses on the research and desig n moire fringe sig nal to the new tech no logy segme ntati on and cause grati ng.Measuri ng tech no logy is based on moire fringe of Grat ings formeati onThe key tech no logy on the thesis is four

4、 subdivisi on reversible cause to the circuit desig n of CPLD and some of the con trol of A/D sampli ng and four subdivisi on data and twenty subdivisi on data process ing.This paper proposed a new electr onics segme ntati on and cause method about application of CPLD , it can design displacement me

5、asurement and measurement to achieve higher resoluti on, more flexible requireme nts, the experime ntal results show that the research of this Project is of high referenee value on research and developme nt of the higher precisi on of grat ing measuri ng system.Key words： grat ing measuri ng tech no

6、 logy; Grati ng sen sors; Moire fringe sig nal; Quan titative subdivisi on tech no logy; CPLD count and to cause circuit; A/D sampli ng目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第一章緒論 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.1引言 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.2論文研究的目

7、的及內(nèi)容 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第二章光柵計量系統(tǒng)的總體設(shè)計及基本原理 5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.1光柵光學(xué)系統(tǒng)信號采集裝置 6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.2光柵的分類及原理 7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.3莫爾條紋形成及光柵測量原理 7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.4莫爾條紋的轉(zhuǎn)換特點

8、 10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.5光柵測量方案與細分技術(shù) 11 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.6本系統(tǒng)的特點和關(guān)鍵技術(shù) 15 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第三章光柵莫爾條紋信號辨向電路的設(shè)計 16 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1差動運放去直流電路 16 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.2整形電路 17 H

9、YPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.3傳統(tǒng)辨向電路的缺點分析 18 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4設(shè)計環(huán)境概述 19 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.5辨向電路設(shè)計及工作原理 20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第四章 光柵莫爾條紋信號細分電路的設(shè)計 21 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.1振幅合成線性三角波的設(shè)計 21

10、HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4.2細分電路的設(shè)計 25 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 26 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第五章實驗的結(jié)論和誤差分析 33致謝 38參考文獻 39 第一章 緒論1.1 引言隨著高科技的發(fā)展， 超精密制造技術(shù)成為當前各個工業(yè)國家發(fā)展的核心技術(shù) 之一，各技術(shù)先進國家在高技術(shù)領(lǐng)域位于國防工業(yè)、 集成電路、 信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等 之所以領(lǐng)先， 與這些國家高度重視和發(fā)展超精密制造技術(shù)有極

11、其重要的關(guān)系， 而 超精密制造技術(shù)是隨著測量技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。 光柵測量技術(shù)在近二三十年間 隨著光柵刻制技術(shù)、 電子技術(shù)和光柵莫爾條紋細分技術(shù)以及計算機技術(shù)的不斷進 步，得到了急速的發(fā)展。利用光柵技術(shù)進行長度、位移和角度的傳感，應(yīng)用在測 量技術(shù)領(lǐng)域越來越廣泛?，F(xiàn)在的光學(xué)光柵測量技術(shù)的準確度已經(jīng)達到了微米、亞微米和納米的量級 上，利用光柵作為位移傳感器。通過對莫爾條紋計數(shù)，來實現(xiàn)位移檢測的技術(shù)， 光柵計量技術(shù)是傳感路技術(shù)由模擬化到數(shù)字化的一個重要發(fā)展。有關(guān)資料表明， 國外在各種位移檢測中計量光柵應(yīng)用最多。 而這些優(yōu)勢的產(chǎn)生主要是因為光柵式 測量具有以下優(yōu)點：一精度高，光柵節(jié)距內(nèi)可以進行細分，細

12、分一般有機械細分，電子細分、 光學(xué)細分和軟件細分等方法，可靠性好。由于光柵刻畫技術(shù)和細分技術(shù)的進展， 莫爾條紋對光柵局部誤差具有平均效應(yīng)， 以及對光柵位移信號有放大的作用， 光 柵測量系統(tǒng)在大量程測長方面僅次于激光式測量的一種高精度測量裝置； 對于圓 分度測量來說，亦是高格度測量的方法之一。二兼有高分辨率和大量程兩種特性。 這時難以兼得這兩種特性的測量裝置 來說，是一個非常寶貴的特點。如制造量程 l 米左右的光柵尺和幾米、幾十米的 鋼帶光柵皆能實現(xiàn)，測長范圍可達幾十米，分辨率可達 0.5 yM,測角時采用多 頭多圈測量。分辨率可達 0.01。三易于實現(xiàn)自動控制和自動測量， 具有較高的測量速度。

13、 光柵的莫爾條紋 信號光強和反差較大， 光電轉(zhuǎn)換后其輸出信號也較強。 再者采用非接觸式發(fā)信號 裝置，能夠?qū)⒈粶y量值準確的傳給其它系統(tǒng)， 能夠瞬間自動地處理計量信息， 并 將原始模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號從而實現(xiàn)自動控制和自動測量并實現(xiàn)數(shù)字化。四具有較高的抗干擾能力， 對環(huán)境要求不嚴格。 光柵光電轉(zhuǎn)換信號峰值可 達幾百毫伏，比電磁式、感應(yīng)式計量儀器抗干擾性強。與激光干涉儀相比，可在 恒溫控制不嚴的一般車間加工條件下使用，且工作穩(wěn)定可靠。光柵測量技術(shù)是以光柵形成的莫爾條紋為基礎(chǔ)的， 主要包括光柵刻制技術(shù)和 莫爾條紋細分技術(shù)兩部分， 所以要實現(xiàn)高精度高分辨率的測量， 必須從這兩方面 入手。但光柵刻制技

14、術(shù)受到制作工藝的限制， 因此研制莫爾條紋的細分方法己經(jīng) 成為提高測量精度亟恃解決的問題， 采用何種細分方法， 直接影響著光柵檢測系 統(tǒng)的分辨率。計量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋， 1874年，英國物理學(xué)家瑞利首先提出了利 用莫爾條紋的移動來測量光柵相對位移的可行性， 為計量光柵的發(fā)展奠定了理論 基礎(chǔ)。從1874年直到1950年為止，由于光柵價格昂貴而電子技術(shù)還處于初級階段， 使得計量光柵在位置檢測中的實際應(yīng)用很少。到1950年和I960年，Merton柳L法和照相復(fù)制法的出現(xiàn)使得大量生產(chǎn)廉價的計量光柵成為可能。1953年，英國Ferranti 公司發(fā)明了四倍頻可逆計數(shù)系統(tǒng)， 這在開發(fā)與計量光柵相對

15、應(yīng)的光電子 系統(tǒng)方面， 取得了突破性進展。 在此后的 20年間， 各國對光電系統(tǒng)在柵距細分上 提出的更高要求做出了長期的努力，先后發(fā)展了機械式、光電式掃描細分系統(tǒng)， 及多種光學(xué)細分和電子學(xué)細分方法， 為提高計量光柵及其所在的光電軸角編碼器 的分辨率做出了貢獻。 伴隨計量光柵精度的提高和細分技術(shù)的發(fā)展，從80年代開始，以機電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)為標志， 光電軸角編碼器已成為人們普遍認可的精 密測角裝置，它在控制系統(tǒng)的位置反饋測量及傳動誤差的比較測量方面也發(fā)揮著 越來越大的作用。我國對計量光柵的研究始于 1960年前后， 1964年，中科院長春光機所制造了 我國第一塊編碼器和圓光柵， 并成功地應(yīng)用于靶

16、場經(jīng)緯儀上， 實現(xiàn)了數(shù)字化測量 角度。隨后，成都光電所、天文儀器廠、重慶大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、清華 大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等數(shù)十家科研單位也都先后進行了光電編碼器的開發(fā)與研 制，并取得了一定成果。 1985年航天部一院計量站研究的精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺，分辨率為0.01 ，一次靜態(tài)測量不確定度為 0.22 。長春光機所在 80年代末生產(chǎn)的 23位絕對 式光電軸角編碼器，分辨率為 0.15 ，測角精度達 0.51 ”。成都光電所研制的 25 位絕對式光電軸角編碼器，分辨率已達 0.04 ”，精度0.71 ”。 1995年中科院長春 光機所和中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合研制出的角度基準，分辨率達到 0.001

17、，精度p+v=o.o盼（誤差修正后）。北京標普納米悉測控技術(shù)研究所的光柵納米傳感技 術(shù)，解決了納米光柵的工作原理、納米光柵的制造技術(shù)、納米光柵信號的讀取技 術(shù)和信號細分技術(shù)以及納米機械的制造等四大難題，取得了自主知識產(chǎn)權(quán)，并已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其測量系統(tǒng)的精度在100毫米上小于士 20納米。北京珍寶智能 機器技術(shù)公司的智能化電感頻變式比較儀的示值變動性不大于0.003微米，示值誤差不大于一（0.003+0.005A ）微米（式中A為示值），已為國內(nèi)多家正規(guī)制造 廠所采用。這些研究成果都有很高的水平，為發(fā)展經(jīng)濟和促進科學(xué)技術(shù)起到了巨 大的推動作用。但是相比國外的光柵器件產(chǎn)品，我國光柵研究單位還要在

18、把科研 成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力方面多下工夫，但可以預(yù)見，計量光柵的研究在我國必將取得 進一步的發(fā)展。當前世界上研究和生產(chǎn)光電位移精密測量儀器的廠家有：德國，OPTO公司，HEIDENHAI公司，美國的ITEK公司，B&L公司，日本的尼康公司，三豐公司和佳 能公司。此外，英國，瑞士和俄羅斯的一些廠家也在光電軸角編碼器的研制方面 做出了很多貢獻。美國的ITEK公司于1984年研制了 21位光電軸角編碼器，現(xiàn)也正 準備研制27位絕對式光電軸角編碼器，以滿足 其航天 技術(shù)的需要；德國 HEIDENHAI公司生產(chǎn)的編碼器系列以其優(yōu)質(zhì)的性能， 多樣的品種譽滿全球，居國 際領(lǐng)先水平。HEIDENHAI公司為意大利

19、伽利略望遠鏡控制系統(tǒng)設(shè)計并制作的27位增量式光電軸角編碼器，經(jīng)2止細分后，它的測角精度已達0.036，分辨率約 為0.01，是當今世界精度最高的光電編碼器。從上個世紀 90年代末，隨著COMS 在技術(shù)上的突破，以COMS象傳感器作為編碼器系統(tǒng)的光電探測器，使光柵長度計量上實現(xiàn)了從微米級到亞納米、納米級的突破。1.2論文研究的目的及內(nèi)容現(xiàn)代光學(xué)光柵測量技術(shù)是目前國內(nèi)外發(fā)展較快的四種主要亞微米及納米測 量技術(shù)（包括納米級探針技術(shù)、顯微鏡技術(shù)、光干涉技術(shù)、光學(xué)光柵測量技術(shù)） 之一，課題中研究的小口徑光柵測徑儀就是光柵測量技術(shù)的一個具體應(yīng)用。課題中本人對小口徑光柵測徑系統(tǒng)中的光柵傳感器、信號預(yù)處理電路

20、、CPL的計數(shù)和辨向電路、單片機控制及信號處理電路進行了初步研究，重點研究并設(shè)計莫爾條紋信號細分與辨向新技術(shù)。光柵測量技術(shù)是以光柵形成的莫爾條紋為基礎(chǔ)的，如果以光柵的柵距或柵角做計量單位， 則只能記數(shù)整條紋， 例如，光柵為每毫米 250 線時，燕焦過一個柵距的位移量為4yM，而對高精度的計量和檢測通常對長度 的精度準確到1-0.1M,要達到上述的要求，光柵的鄰線密度為每毫米千條線到萬條線，目前的工藝水平在每毫米刻上萬條線及以上則無法實現(xiàn)， 而且也是不必 要的，因此在選擇合適光柵柵距的基礎(chǔ)上， 使用一定的細分技術(shù)對柵距細分讀取 柵距的分數(shù)值，提高分辨的能力。本論文提出了一種新的電子學(xué)細分和應(yīng)用

21、CPL的辨向方法，設(shè)計可以對位移 測量和測量分辨力實現(xiàn)更高、 更靈活的要求， 本課題的研究對更高精度的光柵測 量系統(tǒng)的研制開發(fā)具有較高的借鑒價值。主要技術(shù)指標：測徑范圍：2580mm測徑精度：0.008mm本論文針對光柵細分測量開展了一系列的研究工作，具體研究內(nèi)容包括： 一從國內(nèi)外光柵莫爾條紋技術(shù)研究的現(xiàn)狀出發(fā)， 并對現(xiàn)有的光柵細分的各種技 術(shù)進行綜合分析的基礎(chǔ)上， 確定本課題的主要研究內(nèi)容， 研制出精度高、 性能穩(wěn) 定、使用方便的測量系統(tǒng)。二搭建測量的實驗硬件系統(tǒng)， 主要包括實驗裝置和各元件的選擇等， 主要 是搭建三角波電路設(shè)計、CPL器件的選取以及各種芯片的選擇。三.分析傳統(tǒng)辨向電路的不足

22、，設(shè)計新型的CPL的細分及辨向電路，了解掌 握整個EDA勺實現(xiàn)過程，從文本文件的編寫到程序的編寫，直到硬件的最終測試。四分析二十細分的算法，從A/D采樣控制存儲，到動態(tài)建立查表，得到二 十細分數(shù)值，再和四計數(shù)值部分的數(shù)值處理， 得到內(nèi)徑的測量值最后送顯示電路。五分析誤差的產(chǎn)生原因和盡量減小誤差的方法。第二章光柵計量系統(tǒng)的總體設(shè)計及基本原理小口徑電子測徑儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它是由彈性支撐定心裝置、測 量本體、光柵傳感器、測桿、導(dǎo)向器、萬向節(jié)、支架等組成。測徑電路的主要測 量部分是光柵計量系統(tǒng)（光柵傳感器），指示光柵和標尺光柵采用每毫米50對線 （柵距為0.02mm對線）。圖N1小口徑測徑

23、儀鬧結(jié)構(gòu)圖，.弾性支揮定巧裝置迂 測量本儒3.光柵傳感器4測桿5.導(dǎo)向器& 萬向節(jié)*T.裸度推進乩推燧桿9芟架光柵計量系統(tǒng)由光柵光學(xué)系統(tǒng)信號采集電路和信號處理電路兩部分組成，總框圖如圖2.2所示。光柵光學(xué)系統(tǒng)信號采集電路主要指光柵傳感器，信號處理電 路主要包括信號的細分電路和辨向電路兩部分， 辨向電路由整形電路和CPL計數(shù) 電路構(gòu)成；細分電路由差分放大電路、構(gòu)建三角波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)和工作原理在第三章和第四章介紹。光柵計量系統(tǒng)的基本工作原理是：由光源發(fā)出的光經(jīng)過光柵副調(diào)制， 將機械 位移轉(zhuǎn)換成光信息，由光電接收轉(zhuǎn)換器件變成隨光調(diào)制變化地交變電信號送入電 子學(xué)處理器，經(jīng)

24、過各種信號的處理和變換后，可以實現(xiàn)對應(yīng)的各種機械的幾何位 移量。光柵計量系統(tǒng)精度包括兩個指標：一測量裝置在全量程范圍上的位移精度；二柵距的細分精度，即莫爾條紋的細分精度。對于前者，主要取決于標尺光柵的精度。對于后者，由于細分精度與信號質(zhì) 量之間存在密切的關(guān)系，因此必須使系統(tǒng)輸出良好而穩(wěn)定的莫爾條紋信號以保證條紋的細分精度光細件感器P?空PjP1P4分大瞎莖啟電電瞬CPLD 計敵 電略CPU分大瞬整M電三角波電瞬A/ft電圖22檢測莫爾條紋信號懇設(shè)計圖2.1光柵光學(xué)系統(tǒng)信號采集裝置光柵光學(xué)系統(tǒng)是信號的采集裝置，它的工作原理是根據(jù)波動光學(xué)中光的干涉 和衍射的特性，利用光通過相疊的兩片光柵片時形成莫

25、爾條紋， 并將莫爾條紋的 光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖2.3是光柵光學(xué)系統(tǒng)的原理示意，共分為兩個部分。光源系統(tǒng)。光源系統(tǒng)包括光源1和準直鏡2，光源置于準直鏡的焦面上， 這樣光線經(jīng)過準直鏡后，就可準直成平行光照射到光柵上。單色平行光的光能量 利用率最好。光柵副。圖中的主光柵3 （又稱為標尺光柵或基準光柵）和指示光柵 4 構(gòu)成一副測量用的光柵副。主光柵是做為測量基準用的，一般情況下隨工作臺一 起運動，所以又稱為動光柵。指標光柵固定不動，又稱為定光柵，指示通常不做 成滿量程的刻線，只要足夠覆蓋光電接收元件即可。ffl 2. 3光柵逬學(xué)系統(tǒng)亦L光源2.透鏡乞主光細4.指示迸紙&光電接笑認徉主光柵和指示光柵

26、在平行光照射下，形成莫爾條紋投射到置于其后的光電接 收元件5上。根據(jù)光信號的強弱變化，光電元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。2.2光柵的分類及原理光柵有長光柵和圓光柵兩種，長光柵是尺形，所以稱作光柵尺，用來測量線 形長度的；圓光柵是用來測量角度的，但是兩者的原理是一樣的。光柵分為透射 式光柵和反射式光柵兩大類。透射式光柵是用光學(xué)玻璃制成的，用光刻機在光學(xué) 玻璃上刻出大量的寬度和距離都相等的平行線條稱為刻痕?？毯巯喈斢诿Ａ?， 不透光，只有兩個刻痕之間的光滑部分透光，相當于一條窄縫。如圖2.4所示尺上平行等距的刻線稱為柵線，其中透光的縫寬為a （白色），不透光的縫寬為b（黑色），一般情況下，透光縫

27、寬等于不透光縫寬，即 a=b。W二a+b,稱為光柵 柵距。透射光柵的特點是光源可以采用垂直入射光，光電元件能夠直接接收，因此信號幅值比較大，信噪比高，光電轉(zhuǎn)換器（讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡單。同時線條可 以刻的很密，每毫米可以刻100條甚至更多條線，從而可以減輕電子線路的負擔(dān)， 并達到很高的精度。金屬反射式光柵是在金屬鏡面上刻成全反射與漫反射問隔baffi 2.4光柵結(jié)構(gòu)示意圖丿等密的密集線紋制品，它的特點是不易破碎,量程較大，線膨脹系數(shù)很容易做到常用的光柵傳感器多是與機床用的普通鋼或鑄鐵一致。光柵尺的類型有很多種, 黑白型的，屬于透光和不透光的類型。對于圓光柵來說，更多的使用柵距角的稱 呼，并以c表示

28、，它是指圓刻度盤上相鄰兩刻線間的夾角。2.3莫爾條紋形成及光柵測量原理將兩塊黑白型光柵刻線面相對，并使兩片光柵的柵距之間形成一個小的角度9,這時，在近于柵線垂直的方向上就出現(xiàn)明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾 條紋，莫爾條紋中兩條亮紋或者兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，或者稱為條紋間距。當光柵副中一片光柵(一般是主光柵)相對于另一片光柵沿著垂 直柵線反方向上相對運動時，莫爾條紋便沿著與柵線方向近似相同的方向做相應(yīng) 的移動。兩片光柵的柵線之間沒有間隙，而且不考慮光柵的衍射作用及認為兩者 柵距黑格相等，縫寬和線寬完全一致。一般光柵的柵距W遠比照射光的波長大 得多，因此通常采用遮光原理解釋莫爾條

29、紋的形成，如圖2.5所示。在h h線上，兩塊光柵的柵線彼此重合，從棱形縫隙中通過光的一半，透光面積最大， 形成條紋的亮帶；在g g線上，兩塊光柵柵線彼此錯開，形成條紋的暗帶， 一般a=b=W，即此帶是全黑的。條紋寬度 B與柵距，夾角的關(guān)系，可由圖2.6中2的厶ABC導(dǎo)出，即B = AD2AB=：2x2 x丄=-(2.1)亠ig w0E 2. 5光柵莫爾條絃形成a圖2眉莫爾條紋寬度計算示意圖般e很小故上式可簡化為B豊，其中夾角的單位為rad柵距V和條紋寬度B的單位都為mm。當兩光柵沿著垂直于柵線的方向相對移動時，莫爾條紋將沿著平行于柵線的方向移動。光柵每移動一個柵距W,條紋就跟著移動一個條紋寬度

30、B。光柵上面的變化對于某一點來說，隨著動光柵的移動， 在理想條件下，莫爾條紋的波形圖呈等腰三角形，如圖2.7(a)所示。在實際情況下，兩片光柵之間不可能沒有間隙，光源也不可能為絕對的平行光，光柵線間的 距離，線寬和縫寬也不可能絕對精確，由于兩光柵之間有一定的空氣間隙， 光柵 柵線刻制質(zhì)量的影響，使莫爾條紋的三角形光強分布被削頂和削底，形成正弦波。 如圖2.7(b)所示。置于某一固定位置的光電元件接收到的光能量隨著相對位置的 變化而變化，其輸出的電信號也是按同樣的規(guī)律變化。 變化周期數(shù)與兩片光柵相 對移過的柵距數(shù)同步，即每移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距，光電元 件輸出信號變化一個周期。圖

31、NY理想光捌亮度變化2.4莫爾條紋的轉(zhuǎn)換特點一莫爾條紋間距對光柵柵距的放大作用兩塊柵距相等的光柵、若以微小傾角 疊合則會出現(xiàn)橫向莫爾條紋。由于其 莫爾條紋移動的距離（照血條紋寬度）比光柵移動的距離（柵距）大得多，放用 光柵測量位移具有放大的作用。在兩光柵柵線夾角 e較小的情況下，莫爾條紋寬 度B和光柵柵距W、柵線夾角之間有下列近似關(guān)系：WB= 9如當 w = 0.02mm,(2.2)9= 0.00174532rad(0.1)時，B=11.4592mm即光柵移過0.02mm,莫爾條紋移動一個條紋寬度11.4592mm。當柵距W一定時，調(diào)節(jié)不同的9, 可以得到不同的條紋寬度，這樣對信號的接收以及實

32、際的調(diào)試帶來很大的方便。 這是一般測量儀器所不能比擬的。 莫爾條紋間隔比光柵柵距大很多，因而可以在 一個條紋間隔內(nèi)安放細分裝置進行細分，明賣取位移的分數(shù)值，這樣就大大提高了儀器的靈敏度和精確度。光柵副是一個高質(zhì)量的可調(diào)前置放大器，廣泛地用于實現(xiàn)高靈敏度的位移測量。平均誤差作用從前述的光電元件輸出信號波形圖可以看出，相鄰兩個周期的幅度近于相同，也就是說波形的相鄰精度很高這是由于光柵的平均誤差的結(jié)果。 光電元件接 收的光信號進入光柵視場的黛紋數(shù)刀的綜合平均效果。 若一個光柵有局部誤差或短周期誤差，由于平均效果的影響將大大減弱:(2.3)由此可見。測量精度僅同進入視場的線紋數(shù)的平均間隔是否處處一致有

33、關(guān)系，而與光柵上相鄰線紋間隔的精度無關(guān)。例如，一個每毫米50條線的光柵W=0.02mm，設(shè)其中單線誤差為=1mm，采用10mm的硅光電池接收條紋信號，視場內(nèi)同時參加工作有N=10 50=500條線、總輸出為500條線中每一條線輸出之 和，由式（2.3 ）可以求出1(2.4)二0.04 500可見莫爾條紋總是由兩塊光柵的大量柵線共同形成的宏觀效應(yīng)，此對柵線的 某些誤差(主要是偶然誤差和小周期誤差)有平均作用，能在很大程度上減小這 些誤差的影響。運動的對應(yīng)關(guān)系一對光柵中的任意一個光柵，如果沿著垂直于刻線方向運動、莫爾條紋就沿 著近似垂直于光柵運動方向運動， 而且移過的條紋數(shù)與柵距數(shù)一一對應(yīng)， 光柵

34、移 過一個柵距，莫爾條紋就移過一個條紋寬度。當光柵改變運動方向時，莫爾條紋 也隨之改變運動方向，兩者的運動始終保持對應(yīng)關(guān)系。因此，要知道光柵運動方 向和距離，只要測量莫爾條紋的運動方向和移過的條紋數(shù)目即可， 而后者的測量 要方便得多。易于實現(xiàn)自動控制和自動測量光柵的莫爾條紋信號，一般光強和反差較大，光電轉(zhuǎn)換后其輸出信號也較強。 再者，采用非接觸式發(fā)信號裝置，能夠?qū)⒈粶y量值快速而準確地傳給其他系統(tǒng)， 能夠瞬間自動地處理測量信息，并將原始模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號， 從而實現(xiàn) 自動控制和自動測量，實現(xiàn)數(shù)字化。2.5光柵測量方案與細分技術(shù)一.光柵測量方案計量光柵是一種增量式的光學(xué)標準器。 在長度測量方

35、面，光柵是以柵距為增 量的編碼尺。測量時，以光柵為標準器，對某物體進行比較，如圖 2.8所示，就 可以在光柵尺上讀取被測物體的長度X:X =AB NW 、2 二 NW 、(2.5)式中：N AB間的柵線數(shù)目；、i和 在AB兩端對應(yīng)的光柵上讀取的小于一個節(jié)距的小數(shù)值由此可見，光柵測量實質(zhì)上就是讀取相應(yīng)的柵線數(shù)目和小于柵距的小數(shù)值和。如果測量精度允許精度舍去小數(shù)值 1和,則方程式簡化為式2.6，這樣，光柵測長 就變成了單純讀取光柵柵線數(shù)目N值。X =NW(2.6)如果測量精度不允許舍去小數(shù)值 i和2，則必須對光柵的柵距進行細分。假 設(shè)柵距可然被分成n等份，則光柵細分的分辨率為：帔測物長X,圈線82

36、/光柵r/餐PNWJiiiiiiniiiiilllllllllllllll 開 IU1IMIIIHMMiiiihiiiiriAB（2.7）國2.8光柵測長示意圖此時測量的小數(shù)值:(2.8)、.二m .式中：m=0,1,2,3,4, ；m,將式2.7和2.8代入2.5,并令 M=Nn=m貝U:X = M .（2.9）上式就是細分系統(tǒng)的分辨率為最小測量單位的光柵測量方程式。二光柵細分技術(shù)光柵測量就是信號的計數(shù)和細分問題，目前高精度的計量的分辨率要達到微 米甚至是亞納米級，目前用作計量光柵密度通常為202000線/mm,因此要達到 上述分辨率必須對光柵信號進行細分，提高不滿周期的分辨能力。光柵細分方

37、法有三種：一是機械細分，即增加光柵刻線密度，此方法受工藝 的限制。二是機械一光學(xué)細分，位移的分數(shù)值通過微動的指示光柵達到預(yù)定的基 準相位的位置，稱為零位法，其缺點是每次讀數(shù)必須歸零，但電子系統(tǒng)簡單，細 分力強，精度也高。三是電子細分法。電子細分的方法很多，主要分為純硬件方 法和利用微處理器實現(xiàn)的軟件細分兩大類。純硬件細分系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但是細 分數(shù)一般不高；軟件細分可以實現(xiàn)較高的分辨率，但是系統(tǒng)的實時性受到影響。 純硬件電路細分包括直接細分、電橋細分與電阻鏈細分、相位調(diào)制細分以及鎖相 細分。1.直接細分直接細分又稱四倍頻細分，其基本原理是將傳感器輸出的兩路相位依次相差 90的信號，利用沒土過氰

38、撇器在一個周期內(nèi)得到 4個相位依次相差45的脈沖 信號。這樣就可以實現(xiàn)對輸出信號的四倍頻細分， 而且可以根據(jù)信號出現(xiàn)的順序 確定方向。直接細分法對于傳感器無附加要求， 但是硬件電路較為復(fù)雜，且細分數(shù)不咼。2 電橋細分和電阻鏈細分電橋細分的原理如圖2.9所示，圖中Uc和Us對應(yīng)于正弦信號和余弦信號。Rl為負載電阻。當電橋處于平衡時，可得sin R(2.10)costR2選取不同的 乞的值，就可得到不同的二值，獲得要求的細分。電橋需要從R2輸入電路中消耗一定的功率，細分越大，消耗功率也越大。因而細分數(shù)受到一定 限制，另外電橋細分對信號的波形、幅值和正交性都有嚴格的要求，否則會帶來 測量的誤差。電阻

39、鏈細分本質(zhì)上也是電橋細分，因為電阻鏈細分是一個分壓關(guān)系， 但是由于電阻阻值的調(diào)整比困難，因此細分數(shù)不可能做得很高。圖29電橋細分原理圖3.相位調(diào)制細分相位調(diào)制法的基本原理是按照三角函數(shù)中兩角和的公式來模擬實現(xiàn)的，其計算公式如式（2.11）所示。sin（ t）cos（二）cos（ t）sin（）=sin（ t 亠）（2.11）從公式（2.11）可知，從加法器中得到的sin （tv）信號與基準信號sin （t）進 行相位比較，就可以得到唯一的相位角 二，用代表該二角的方波的前后選擇時鐘 脈沖的通過。通過的時鐘脈沖即為計數(shù)脈沖。這種方法可以得到較高的細分數(shù)， 通常為2001000。但是相位調(diào)試細分法

40、對運動的均勻性要求較高。該方法要求 調(diào)制信號的頻率遠高于傳感器輸出信號的頻率，否則在動態(tài)測量中容易引入誤 差。4鎖相細分法 鎖相細分法的原理是將分頻器的輸出信號與傳感器的輸出信號通過鑒相器 處理后，控制壓控震蕩器輸出信號的頻率， 壓控震蕩器的輸出即為所需的倍頻信 號。由于壓控震蕩器輸出信號的頻率為傳感器的信號頻率的N度，因此必須通過一個N倍的分頻器分頻后才能送入鑒相器。鎖相細分法可以達到較高的細分數(shù)， 但該方法對信號的勻速要求較高， 因此在使用范圍上會受到一定的限制。 當細分 數(shù)較大時， 采用純電子細分方法系統(tǒng)的硬件電路就會變得比較復(fù)雜。 由于純硬件 電子細分方法對信號的要求比較高， 且調(diào)整復(fù)

41、雜， 所以硬件電子細分法無法應(yīng)用 于高分辨率的系統(tǒng)。5微機細分技術(shù)隨著微機技術(shù)的發(fā)展， 利用微型計算機通過數(shù)字計算進行細分的方法開始出 現(xiàn)。微機細分技術(shù)從原理上可以分為以下三類。(l )與硬件細分相結(jié)合 與硬件相結(jié)合細分技術(shù)是在硬件電子細分法的基礎(chǔ)上， 引入微型計算機以簡 化電路結(jié)構(gòu)， 并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。 此類細分系統(tǒng)中， 微型計算機并不直 接進行信號細分， 因此信號的細分分辨率還是由系統(tǒng)原有的硬件決定， 但采用軟 件代替速度判別電路，得到位移量和最大位移量等。(2)時鐘脈沖細分技術(shù) 此方法是將位移信號的細分轉(zhuǎn)化為計時的方法， 在信號的位移區(qū)間內(nèi)填入微 機時鐘脈沖信號，根據(jù)所填的脈沖數(shù)

42、目就可以確定出要求的位移 x。由于微機時 鐘脈沖頻率或分頻數(shù)很方便的改變分辨率， 大大簡化了硬件電路， 避免了硬件電 路中各種干擾帶來的影響， 保證測量結(jié)果的穩(wěn)定和可靠。 然而由于速度誤差和信 號相位誤差的存在，時鐘脈沖信號細分技術(shù)應(yīng)用范圍受到相應(yīng)限制。(3 )量化細分技術(shù)通過傳感器輸出兩路正交的正弦信號， 首先將一路信號經(jīng)放大整形后得到方 波信號，計算機對方波信號的脈沖進行計數(shù)。同時將兩路正弦信號進行A陽轉(zhuǎn)換, 根據(jù)兩路信號的正負和大小， 將一個信號周期細分為八個相位區(qū)間， 再根據(jù)兩路 正弦信號的絕對值之比查表確定細分數(shù)。 如果需要進一步的細分， 可在每個區(qū)內(nèi) 再進一步細分。量化細分的倍頻數(shù)

43、可根據(jù) A/D的位數(shù)設(shè)定，且細分倍數(shù)和精度較 高，是目前應(yīng)用較多的一種微機細分技術(shù)。微機細分技術(shù)充分利用了計算機的優(yōu)勢， 在軟件上加以擴充可方便的進行誤 差修正等操作， 可以大大提高傳感器的測量精度和分辨率， 很容易擴展傳感器的 功能。2.6 本系統(tǒng)的特點和關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)以上對莫爾條紋信號的細分技術(shù)的研究， 本論文的設(shè)計方案的原理是量 化細分技術(shù)， 將四路帶有直流分量的正余弦信號去除直流成分， 得到四路只有交 流成分的正余弦信號，一方面經(jīng)過整形電路送入CPL進行四細分及正逆辨向計數(shù)，另一方面將正弦信號振幅合成線性三角波，利用A角采樣進而軟件查表編程方法來實現(xiàn)，最終實現(xiàn)二十細分的技術(shù)指標。本文的關(guān)

44、鍵技術(shù)是CPL的四細分可逆辨向電路設(shè)計和 A/D采樣的一些控制以 及四細分數(shù)據(jù)和二十細分數(shù)據(jù)的處理。第二章 光柵莫爾條紋信號辨向電路的設(shè)計對于光柵位移測量系統(tǒng)，光柵相對移動所形成的莫爾條紋經(jīng)四向硅光電池進 行光電轉(zhuǎn)換，輸出四路相差90。的正弦（余）波信號，一般整數(shù)周期計數(shù)方法通 常為正交信號（相位相差90），即每1/4周期進行計數(shù)，可以確定的整數(shù)周期進 行準確計數(shù)，不滿1/4周期的信號采用進一步細分的方法測量。設(shè)計思路如下：正交的正余弦信號處理后經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)化為方波，通過CPLD處理電路對信號的電平狀態(tài)進行判斷從而得到實時的正逆整數(shù)周期計數(shù)，即每過1/4周期，即產(chǎn)生一次計數(shù)，在正向移動的情況下

45、進行加計數(shù)， 在反向移動的情況 下進行減計數(shù)。同時根據(jù)CPLD的FLAG端信號可以判斷光柵傳感器的移動方向， 高電平時移動方向為正，低電平時為反向移動。在正常情況下，整數(shù)周期信號穩(wěn)定可靠是保證光柵測量系統(tǒng)的精度的基礎(chǔ)。 并且四倍頻輸出的辨向信號為數(shù)據(jù)處理模塊在進行測量數(shù)據(jù)處理時提供方向辨 別，這一路數(shù)字信號傳輸路徑主要是對測量結(jié)果的整數(shù)周期數(shù)進行計數(shù)，另外一路信號傳輸路徑是對小于整數(shù)周期信號的細分測量。3.1差動運放去直流電路實驗中發(fā)現(xiàn)光柵傳感器的四路輸出信號（正弦，負正弦，余弦，負余弦）含 有直流成分，所以采用差動放大器去掉直流電平，本設(shè)計差動放大器采用 LM324N。直流分量相互抵消，交流

46、分量相互疊加，則輸出一個放大2倍的不含直流成分的正弦波信號，電路圖如圖3.1所示。3 3.1差動去直流電路*,本設(shè)計的運算放大器件采用LM324N，它是四運放集成電路，采用14腳雙列 直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外， 四組運放相互獨立。每一組運算放大器有5個引出腳，兩個信號輸入端中，7.-() 為反相輸入端，表示運放輸出端 V。的信號與該輸入端的位相反；V2 ()為同相 輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同，放大器電壓放大倍數(shù)A僅由外接電阻R、R2決定。Av =-Rl( 3.1)R.負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。 按圖中所給數(shù)值，電阻

47、均采用同阻 值的電阻，此電路僅用做減法電路，放大倍數(shù)為1。3.2整形電路由差動運算放大器輸出的信號是交流雙極性信號， 是模擬量，我們需要將正 弦和余弦這兩路正交信號轉(zhuǎn)換成方波信號，即變?yōu)槎M制數(shù)字量送入CPL進行下 一步的處理。采用整形電路，禾I用過零比較器 LM311P實現(xiàn)方波的輸出。LM311P 的特點如下：快速的反應(yīng)時間；最大輸入偏置電流為300nA;最大輸入補償電流為70nA;LM311是高速電壓比較器，它可以在一個寬電壓的范圍內(nèi)工作，包括15V雙電源供電和5V的單電源供電。輸出電平和 TTL和MOS電平都兼容。它的輸出 引腳驅(qū)動照明和繼電器，轉(zhuǎn)化電壓在50mA的時候電壓可達到20V,

48、 LM311的工作 范圍為0C70C.補償平衡端和閘門端是可以利用的， 輸出端可以是線或連接， 如果閘門端是低電平的話，輸出將會是關(guān)斷狀態(tài)而不管輸入的狀態(tài)如何。它有同向和反向輸入端，輸出端可以從 EMIT輸出或者COL輸出端輸出，依 照設(shè)計者的不同需要所得。由于本論文的設(shè)計是將正弦波經(jīng)整形比較電路得到同 相位的方波輸出，所以在這里采用 COL輸出，過零電路功能模塊如圖3.2所示。波形變換輸出如圖3 .3所示，輸入為正弦信號，輸出為與之相位一致的方波 信號。在信號處理過程中，四細分及辨向電路是一個核心，它不僅將信號四倍頻 計數(shù)，并且區(qū)分了讀數(shù)裝置的運動方向，即實現(xiàn)了可逆的計數(shù)。采用LM311P比

49、較器組成的整形電路比傳統(tǒng)的有分立元件組成的光電脈沖整 形電路簡單，性能優(yōu)越，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比。圖3；整形電路波形示意圖3.3傳統(tǒng)辨向電路的缺點分析傳統(tǒng)辨向電路如圖3.4所示圖3.4統(tǒng)辨向電路框圖屮傳統(tǒng)的辨向電路四倍頻后的脈沖信號的寬度小于光脈沖周期的1/4，才能正 確計數(shù)。然而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖信號的寬度取決于外部電阻和電容的參數(shù)，為了保證在光柵脈沖高速輸出時仍能滿足這個要求，必須選擇較小的RC時間常數(shù)，以產(chǎn)生寬度較小的脈沖。而如果 RC時間常數(shù)過小時，電路所產(chǎn)生的脈 沖信號邊沿以及幅度都難以滿足計數(shù)器穩(wěn)定工作的要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件和

50、EDA 技術(shù)逐步得到普及， 電子系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了革命性的變化， 解決了以往以分立元件 為基礎(chǔ)的電子系統(tǒng)存在的許多不足?，F(xiàn)在，利用可編程邏輯器件和EDAL具，就可通過設(shè)計芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)功能， 將原來由電路板設(shè)計的大部分工作放在芯片的 設(shè)計中進行，極大地減少了設(shè)計的盲目性，提高了設(shè)計效率?？删幊藺SIC是指由用戶編程來實現(xiàn)所需功能的專用集成電路，CPLD和FPGA是可編程ASIC中極具魅力的可編程器件。隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD和FPGA的飛速發(fā)展，可編程邏輯器件可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邏輯電路。 這樣的設(shè)計方法使印制版的面積 大大縮小。 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 將原來的大部分硬件設(shè)計經(jīng)過編程而使

51、其 功能用軟件來實現(xiàn)， 明顯降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜度， 因而制成的設(shè)備體積小、 重 量輕、功耗低、速度高。3.4 設(shè)計環(huán)境概述隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計規(guī)模和技術(shù)復(fù)雜度的急劇增長，EDA 軟件應(yīng)運而生，它可以直接利用計算機完成復(fù)雜的設(shè)計，更快更好的實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計， 利用EDA技術(shù)對CPLD/PGA的開發(fā)，通常是一種借助于軟件方式的純硬件開發(fā)。在電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，可編程邏輯器件（PLD）的應(yīng)用，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計 帶來極大的靈活性。 由于該器件可以通過軟件編程而對其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式 進行重構(gòu)， 使得硬件的設(shè)計可以如同軟件設(shè)計那樣方便快捷， 這一切極大的改變 了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計過程、乃

52、至設(shè)計觀念。在 EDA軟件平臺上，根 據(jù)硬件描述語言HDL完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯映射和編程下 載等工作，設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述， 在EDA工具的幫助下和應(yīng)用相應(yīng)的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設(shè)計結(jié) 果。盡管，目標系統(tǒng)是硬件， 但整個設(shè)計和修改過程如同完成軟件設(shè)計一樣方便和咼效。EDA勺實現(xiàn)是與CPL序PGA技術(shù)的迅速發(fā)展息息相關(guān)，CPL序PG是80年代中 后期出現(xiàn)的，其特點是具有用戶可編程的特性，利用序PGA設(shè)計工程師可以在實驗室中設(shè)計出專用1c，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)并且降低了 開發(fā)成本。3.5辨向電路設(shè)計及工

53、作原理正余弦信號經(jīng)過整形電路輸出與之周期一致的方波信號，送入CPL進行計數(shù)和辨向。電路功能模塊如圖3.7所示?？刂七^程如下：在光柵傳感器開始測量前先將其進行校正， 使其為絕對零位。 光柵傳感器推進口徑進行測量，移動開始發(fā)出清零信號，使CPL計數(shù)器從零開始 計數(shù)；在推進的整個過程中，顯示電路處于實時顯示狀態(tài)直到數(shù)據(jù)不再改變，即為此時內(nèi)徑的長度。內(nèi)徑長度由四細分的數(shù)值部分和二十細分數(shù)值部分構(gòu)成，因為整個測量體各處的直徑不同，實時存在辨向的要求，因此邏輯辨向電路是整個 辨向電路的核心。第四章 光柵莫爾條紋信號細分電路的設(shè)計上文利用CPLD寸電平狀態(tài)改變的判定實現(xiàn)正弦信號每1/4周期（即相位差90 ）

54、整數(shù)的正逆計數(shù)，對于不足1/4周期的位移，需要由進一步細分得到。細分 部分的設(shè)計采用正弦和余弦信號振幅合成線性度良好的三角波，將其進行A/D轉(zhuǎn)換進行微處理器的軟件細分，從而得到二十細分的精度，貝U測量的位移為1L=N d d ，式中N為整數(shù)計數(shù)值，d 為將1/4周期進行五細分所得到的數(shù)值4部分，從而實現(xiàn)二十細分精度為1卩mt勺要求。4.1振幅合成線性三角波的設(shè)計為了獲得精確的位移值，必須對位移進行細分。在一個周期內(nèi)，正弦函數(shù)是 與相位或者說空間位移量是一一對應(yīng)的， 只要能測出正弦函數(shù)的大小和正負，就 可測出光柵副間的相對移動量。但是由于光柵信號的正弦性在一個周期內(nèi)的不同 部分，斜率相差很大（在

55、90和270附近的線性很差），而交替使用正余弦信號 會因為帶有噪聲的實際信號會造成銜接誤差， 所以利用兩路正交正弦信號通過模 擬電路合成近似三角波，再用單片機進行細分。一方面由于合成信號的斜率處處 近似相等，整個周期內(nèi)都有相同的靈敏度；另一方面，合成信號的頻率是原來正 （余）弦信號頻率的二倍。圖4.1正弦波振幅合成三弟波平意圖+J用光柵信號的幅值合成可以提高細分數(shù)，同時提高測量精度。正弦波振幅合成三角波如圖4 .1所示。具體三角波函數(shù)如式所示:(4.1)U =| usin a | -|u cosa |設(shè)計中采用精密全波檢波原理實現(xiàn)正弦及余弦信號的絕對值電路。圖4.2所示為精密全波檢波原理電路圖

56、ICI和IC2各自組成放大倍數(shù)相等的負反饋放大器，正弦信號通過R7擴接到IC1的反向輸入端，當 V為正時，D1和D2截止，對于IC2，輸入信號為V1和V01。由于IC1 和 IC2為運算放大器，由虛短概念,V =V_Vo1 八 R7ViR, /R=R00利用疊加定理可得輸出信號為RoRTR10RooRR7ViR10這里取 R7 二 & = R9 二 R0 二 R1 = R2 =10K則V3 =2V1 -V1 二 V(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)(4.6)其中IC1 和IC2采用芯片TLO84此芯片特點：寬共模（最大可達 VCC+和差 模電壓范圍；低輸入偏置電流和偏移電流；輸出端具有短

57、路保護的功能；高輸入 阻抗J 一 ET俞入級；帶有內(nèi)部頻率補償；鎖定功能自由控制操作；高轉(zhuǎn)換速率： 16V/y s （典型值）。TL084是高速J-ET輸入四通道運算放大器，它在一個單片 集成電路里包含了良好匹配的高壓J-ETT及雙極性三極管，它具有寬的增益帶寬 積為3M這種結(jié)型場效應(yīng)管工藝的運算放大器主要是將標準硅工藝的集成模擬運 算放大器的輸入級改進為結(jié)型場效應(yīng)管，大大提高了運放的開環(huán)輸入阻抗，順帶 提高通用運放的轉(zhuǎn)換速度。當V10時，V。= 匹二斗R9(4.7)所以原來輸入波形為4.3(a)，經(jīng)過精密全波檢波電路后得到波形即|sina|輸出波形(b) +如圖4.3(b )所示ffi 4-

58、 3精密檢波電路而同理對于輸入信號cosa，為了輸出設(shè)計中的-|cosa|，設(shè)計的模擬電路圖如圖4.4所示圖4.4精密全檢波電路(負絕對值)原輸入信號波形Jcosa和輸出信號波形-|cosa|如圖所示4.5(a)和4.5(b)輸入波形(a)圖45檢波電路,加法電路實現(xiàn)了線性三角波的合成，電路圖如圖4.6所示。設(shè)正端電壓為V , 負端電壓為Vn，根據(jù)虛短和虛斷原理 TOC o 1-5 h z Vp 二Vn(4.8)V0VP V0VP 二 0(4.9)R13R26Vn = VoutR14(4.10)R14 + R15這里取電阻 R13 二 R14 二 R15 二 R26=10K，根據(jù)方程(4.8)

59、(4.9)(4.10 )得到輸出信號為(4.11)VOUT =|usina| -|ucosa|圖46加法電路模擬合成三角彼整體電路如圖4.7所示：它的原理就是將正余弦信號經(jīng)過絕 對值電路分別轉(zhuǎn)換為|us in r |和-| ucosr |，再經(jīng)過LM324勺增益為1的加法電路, 得到Vout =|usi nr|-|uCOsr|即得到設(shè)計中光柵信號振幅合成的要求，經(jīng)實驗得 到合成的三角彼為標準等腰三角形。4.2細分電路的設(shè)計細分電路設(shè)計如下：將模擬電路合成的三角波進行 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送 入微處理器進行處理。由于光柵傳感器內(nèi)部包括光源等器件容易老化等原因，幅值會有所改變，不宜使用原始的固定

60、的幅值。設(shè)計采用動態(tài)制表方法，即通過單 片機外部中斷采樣而得到三角波幅值。 由于三角波是嚴格的等腰三角形，正程和 反程相對稱，所以只要制一個幅度細分的表即可，利用微處理器根據(jù)最終A/D存儲的最終采樣值進行查表轉(zhuǎn)換，即得到二十細分部分的值。最終采樣點處于三角 波的正程和反程有所區(qū)別，如圖4.9所示：計數(shù)n-1-圖49終點采樣點的位置區(qū)別牡對于A點，它相對于整數(shù)計數(shù)n+1可定義為此三角彼的正程，而B點相對于計數(shù)n+1處于三角波的反程。如果采樣終點位于三角波正程（如 A點），測得的位移值為：設(shè)1/4周期的位移量為d, A或B點位于第N個區(qū)間,而當采樣終點位于三角波反程（如B點）則(4.12)L =(