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光栅电子细分电路设计

时间:2019-09-10 10:59:09  来源:  作者:

在分析四倍频直接细分原理的基础上,提出利用专用插值芯片(IC—NV)对前端输出的正交信号进行插值细分的方法;采用SOPC技术和基于NiosII软核处理器的系统设计方案,在FPGA中设计了二次细分辨向组件和测速组件,并将位移结果和速度值显示在128×64 LCD上。仿真结果表明,该系统实时性好,可靠性高,误差小,能够轻松实现高达64倍的细分。

关键词:光栅位移传感器;莫尔条纹;插值;FPGA;NiosII

1 概述

目前,光栅的电子细分技术是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径,可分为软件细分法和硬件细分法。软件细分法虽然可以达到较高的细分数,但由于受到A/D器件转换精度和转换时间的限制,一定程度上影响了测量的实时性。硬件细分法一般用在细分数不太高的场合,而且随着细分数的提高,电路会变得更加复杂。本文使用专用插值芯片(IC—NV)对前端输出的正交信号进行插值细分,利用FPGA对插值细分后的信号进行二次细分;同时利用QuartusII中的Component Editor工具设计了二次细分辨向组件、测速组件及LCD控制组件,并通过Avalon总线与NiosII软核处理器进行连接,实现了系统的集成和模块化。


2 莫尔条纹及四倍频直接细分的原理

莫尔条纹的电子细分是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径之一。莫尔条纹是光栅位移传感器工作的基础。莫尔条纹间距近似为光栅栅距的1/θ倍(θ为主副光栅之间的夹角),并且方向近似与栅线方向垂直。当其中任一光栅沿垂直于刻线方向移动一个栅距时,莫尔条纹就在栅线方向上移动条纹间距,因此可以通过检测莫尔条纹的移动来计算指示光栅移动的距离。

对于横向莫尔条纹,为了判定指示光栅的位移方向进行可逆计数以及削弱直流电平漂移对测量精度的影响,可在一个莫尔条纹内等距放置4个光电收发元件。当条纹依次扫过这4个光电收发元件时,便会产生4路相位分别为O°、90°、180°、270°的信号,通过运放差动放大电路即可实现四细分。但是,实际应用中要实现4个光电收发元件的等距排列是非常困难的。目前,大多数的光栅位移传感器都采用光闸莫尔条纹来实现四细分,如图1所示。

光闸式光栅副的指示光栅上刻有4个裂相窗口,各个窗口内栅线与主光栅一致,且相邻两个窗口之间依次间隔(n+1/4)d。其中,d为栅距(这里为20 μm),n为整数。这样,当O°窗口的栅线与主光栅完全重叠时,窗口最亮,形成亮带;180°窗口的栅线与主光栅栅线互相遮挡,形成暗带;90°和270°窗口的栅线缝隙被遮挡一半,处于半明半暗状态。因此,当移动指示光栅时,4个窗口内的光强依次呈现周期性的变化。在窗口区域安放光电收发元件对光强进行检测,便可得到依次相差π/2的4路正弦波信号。


3 光栅信号的产生及差值的实现

3.1 系统总体方案计

系统原理框图如图2所示。光电转换后输出的4路相差90°的正余弦电流信号经过2个前置差分放大器处理后,转换为电压信号并且消除了直流电平,得到相位相差90°的正交信号sinθ/COSθ。为了消除正交信号中掺杂的噪声信号,设计了有源二阶巴特沃斯低通滤波器。滤波后的信号经过插值专用芯片IC—NV后,便可送入FPGA进行二次细分辨向、测速和数字显示工作。

3.2 光电转换及前置放大电路

光电二极管的光电流一般为μA级别,而放大电路中反馈电阻一般采用MΩ量级的电阻。因此,运放的输入偏置电流的影响不能忽略,要选用输入偏置电流小的FET输入型运算放大器。本文选用TI公司的4路LinCMOS运放TLC279CN。它具有输入失调电压低、输入电阻高、噪声低的特点,25°时的典型输入偏置电流为60 pA,远小于光电二极管的光电流。光电二极管可以工作在零偏置或反向偏置方式。在反向偏置方式下,光电二极管可以实现较高的切换速度;但要以牺牲线性为代价,并且在无光条件下仍有很小的电流,称为“暗电流”。零偏置电路受暗电流的影响较小,对于微小照度,可以保持照度与输出成线性比例关系。

图3采用反向并接光电二级管的方式。该方式可以有效地削弱直流电平和偶次谐波。由于后端插值芯片单端输入时对输入信号直流电平和峰峰值有限制,因此在正相输入端设置可变电阻调节输出的直流电平至2.5 V,同时通过调节反馈电阻使输出电压的峰峰值为1 V。

3.3 低通滤波器的设计

由于目前光栅的移动速度多在120 m/min,最大不超过600 m/min,且光栅栅距为20μm时输出的正交信号的频率不超过500 kHz。因此,选定低通滤波器的截止频率为fc=500 kHz,通带增益K=1。具体设计电路如图4所示。

若记录相邻两次Countnum_reg的差值,便可通过以下的公式计算光栅读数头移动的距离:

电路设计 公式1" width="271" height="49" title="光栅电子细分电路设计 公式1" align="">

式中:N为插值芯片的插值因子,d为光栅栅距。

4.3 二次细分测速组件设计

光栅读数头的移动速度应在一定范围之内,否则会造成丢数等误差。测速组件主要对读数头的移动速度进行实时监控,从而实现过速报警。其设计过程与二次细分辨向组件类似。移动速度的计算公式如下:

 

式中:d为光栅栅距,f为插值芯片输出正交信号的频率,

N为插值芯片的插值因子,n为t时间内正交信号的个数。由此可知,只要测出频率f即可求得移动速度。

寄存器描述文件中定义了4个寄存器,如表1所列。

任务逻辑设计采用测周期的方法,即根据Div_reg中的分频因子对待测信号tclk进行分频,在分频后信号的高电平内记录标准信号sclk的个数,并在其下降沿将计数值存到COUnt_reg中。同时,在其低电平内将Countready_reg置1,通知AVaIon主设备计数值已就绪。待测频率的计算公式如下:

该方法可能会产生±1个标准脉冲的测量误差,由于系统标准频率与待测正交信号相比为高频信号,因此能实现高精度的频率测量。

4.4 LCD控制组件的设计

本系统中使用的LCD为128×64的点阵黑白屏,其内嵌控制器为KS0107/KS0108。该液晶模块的D/I引脚用于指示模块处理数据/命令;R/W引脚控制读/写操作;EN引脚为使能信号,CSl/CS2为屏幕的左右半屏控制器片选信号。

本系统在NiosII IDE开发环境中设计应用程序,其程序流程如图9所示。

5 结论

①与传统的分立元件细分电路相比,本系统中使用了专用的插值芯片IC—NV,不但提高了系统集成度,而且在简化PCB设计的同时提高了细分数。NiosII嵌入式处理器使用,既提高了系统性能,又降低了费用。利用Component Editor工具设计的二次细分辨向模块、测速模块及LCD控制模块,可以随时根据需要更改驱动程序并可重复利用,实现了系统的集成和模块化。

②仿真结果表明,该系统设计简单灵活,稳定性高,实时性强,可通过调节插值芯片的插值数实现高达64倍的细分。

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