基于光栅测量技术的小口径光栅测径的具体应用毕业论文

1、摘要本文提出一个基于光栅测量技术的小口径光栅测径的具体应用。本文对小口径光栅测径系统中的光栅传感器、 信号预处理电路、CPLD勺计数和辨向电路、单 片机控制及信号处理电路进行了初步研究， 还重点研究并设计莫尔条纹信号细分 与辨向新技术光栅。测量技术是以光栅形成的莫尔条纹为基础的。本文的关键技术是CPLD勺四细分可逆辨向电路设计和 A/D采样的一些控制以 及四细分数据和二十细分数据的处理。本文提出的一种新的电子学细分和应用 CPLD勺辨向方法，设计可以对位移测 量和测量分辨力实现更高、更灵活的要求，实验结果表明本课题的研究对更高精 度的光栅测量系统的研制开发具有较高的借鉴价值。关键字：光栅传感器

2、；莫尔条纹信号；量化细分技术；CPL的计数和辨向电路；A/D采样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目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第一章绪论 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.1引言 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.2论文研究的目

7、的及内容 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第二章光栅计量系统的总体设计及基本原理 5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.1光栅光学系统信号采集装置 6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.2光栅的分类及原理 7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.3莫尔条纹形成及光栅测量原理 7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.4莫尔条纹的转换特点

8、 10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.5光栅测量方案与细分技术 11 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.6本系统的特点和关键技术 15 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第三章光栅莫尔条纹信号辨向电路的设计 16 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1差动运放去直流电路 16 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.2整形电路 17 H

9、YPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.3传统辨向电路的缺点分析 18 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4设计环境概述 19 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.5辨向电路设计及工作原理 20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第四章 光栅莫尔条纹信号细分电路的设计 21 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.1振幅合成线性三角波的设计 21

10、HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4.2细分电路的设计 25 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4.3 A/D转换电路的设计 26 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第五章实验的结论和误差分析 33致谢 38参考文献 39 第一章 绪论1.1 引言随着高科技的发展， 超精密制造技术成为当前各个工业国家发展的核心技术 之一，各技术先进国家在高技术领域位于国防工业、 集成电路、 信息技术产业等 之所以领先， 与这些国家高度重视和发展超精密制造技术有极

11、其重要的关系， 而 超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。 光栅测量技术在近二三十年间 随着光栅刻制技术、 电子技术和光栅莫尔条纹细分技术以及计算机技术的不断进 步，得到了急速的发展。利用光栅技术进行长度、位移和角度的传感，应用在测 量技术领域越来越广泛。现在的光学光栅测量技术的准确度已经达到了微米、亚微米和纳米的量级 上，利用光栅作为位移传感器。通过对莫尔条纹计数，来实现位移检测的技术， 光栅计量技术是传感路技术由模拟化到数字化的一个重要发展。有关资料表明， 国外在各种位移检测中计量光栅应用最多。 而这些优势的产生主要是因为光栅式 测量具有以下优点：一精度高，光栅节距内可以进行细分，细

12、分一般有机械细分，电子细分、 光学细分和软件细分等方法，可靠性好。由于光栅刻画技术和细分技术的进展， 莫尔条纹对光栅局部误差具有平均效应， 以及对光栅位移信号有放大的作用， 光 栅测量系统在大量程测长方面仅次于激光式测量的一种高精度测量装置； 对于圆 分度测量来说，亦是高格度测量的方法之一。二兼有高分辨率和大量程两种特性。 这时难以兼得这两种特性的测量装置 来说，是一个非常宝贵的特点。如制造量程 l 米左右的光栅尺和几米、几十米的 钢带光栅皆能实现，测长范围可达几十米，分辨率可达 0.5 yM,测角时采用多 头多圈测量。分辨率可达 0.01。三易于实现自动控制和自动测量， 具有较高的测量速度。

13、 光栅的莫尔条纹 信号光强和反差较大， 光电转换后其输出信号也较强。 再者采用非接触式发信号 装置，能够将被测量值准确的传给其它系统， 能够瞬间自动地处理计量信息， 并 将原始模拟信号转变成为数字信号从而实现自动控制和自动测量并实现数字化。四具有较高的抗干扰能力， 对环境要求不严格。 光栅光电转换信号峰值可 达几百毫伏，比电磁式、感应式计量仪器抗干扰性强。与激光干涉仪相比，可在 恒温控制不严的一般车间加工条件下使用，且工作稳定可靠。光栅测量技术是以光栅形成的莫尔条纹为基础的， 主要包括光栅刻制技术和 莫尔条纹细分技术两部分， 所以要实现高精度高分辨率的测量， 必须从这两方面 入手。但光栅刻制技

14、术受到制作工艺的限制， 因此研制莫尔条纹的细分方法己经 成为提高测量精度亟恃解决的问题， 采用何种细分方法， 直接影响着光栅检测系 统的分辨率。计量光栅技术的基础是莫尔条纹， 1874年，英国物理学家瑞利首先提出了利 用莫尔条纹的移动来测量光栅相对位移的可行性， 为计量光栅的发展奠定了理论 基础。从1874年直到1950年为止，由于光栅价格昂贵而电子技术还处于初级阶段， 使得计量光栅在位置检测中的实际应用很少。到1950年和I960年，Merton柳L法和照相复制法的出现使得大量生产廉价的计量光栅成为可能。1953年，英国Ferranti 公司发明了四倍频可逆计数系统， 这在开发与计量光栅相对

15、应的光电子 系统方面， 取得了突破性进展。 在此后的 20年间， 各国对光电系统在栅距细分上 提出的更高要求做出了长期的努力，先后发展了机械式、光电式扫描细分系统， 及多种光学细分和电子学细分方法， 为提高计量光栅及其所在的光电轴角编码器 的分辨率做出了贡献。 伴随计量光栅精度的提高和细分技术的发展，从80年代开始，以机电一体化产品的出现为标志， 光电轴角编码器已成为人们普遍认可的精 密测角装置，它在控制系统的位置反馈测量及传动误差的比较测量方面也发挥着 越来越大的作用。我国对计量光栅的研究始于 1960年前后， 1964年，中科院长春光机所制造了 我国第一块编码器和圆光栅， 并成功地应用于靶

16、场经纬仪上， 实现了数字化测量 角度。随后，成都光电所、天文仪器厂、重庆大学、中国计量科学研究院、清华 大学、哈尔滨工业大学等数十家科研单位也都先后进行了光电编码器的开发与研 制，并取得了一定成果。 1985年航天部一院计量站研究的精密数显转台，分辨率为0.01 ，一次静态测量不确定度为 0.22 。长春光机所在 80年代末生产的 23位绝对 式光电轴角编码器，分辨率为 0.15 ，测角精度达 0.51 ”。成都光电所研制的 25 位绝对式光电轴角编码器，分辨率已达 0.04 ”，精度0.71 ”。 1995年中科院长春 光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准，分辨率达到 0.001

17、，精度p+v=o.o盼（误差修正后）。北京标普纳米悉测控技术研究所的光栅纳米传感技 术，解决了纳米光栅的工作原理、纳米光栅的制造技术、纳米光栅信号的读取技 术和信号细分技术以及纳米机械的制造等四大难题，取得了自主知识产权，并已经转化为生产力，其测量系统的精度在100毫米上小于士 20纳米。北京珍宝智能 机器技术公司的智能化电感频变式比较仪的示值变动性不大于0.003微米，示值误差不大于一（0.003+0.005A ）微米（式中A为示值），已为国内多家正规制造 厂所采用。这些研究成果都有很高的水平，为发展经济和促进科学技术起到了巨 大的推动作用。但是相比国外的光栅器件产品，我国光栅研究单位还要在

18、把科研 成果转化成生产力方面多下工夫，但可以预见，计量光栅的研究在我国必将取得 进一步的发展。当前世界上研究和生产光电位移精密测量仪器的厂家有：德国，OPTO公司，HEIDENHAI公司，美国的ITEK公司，B&L公司，日本的尼康公司，三丰公司和佳 能公司。此外，英国，瑞士和俄罗斯的一些厂家也在光电轴角编码器的研制方面 做出了很多贡献。美国的ITEK公司于1984年研制了 21位光电轴角编码器，现也正 准备研制27位绝对式光电轴角编码器，以满足 其航天 技术的需要；德国 HEIDENHAI公司生产的编码器系列以其优质的性能， 多样的品种誉满全球，居国 际领先水平。HEIDENHAI公司为意大利

19、伽利略望远镜控制系统设计并制作的27位增量式光电轴角编码器，经2止细分后，它的测角精度已达0.036，分辨率约 为0.01，是当今世界精度最高的光电编码器。从上个世纪 90年代末，随着COMS 在技术上的突破，以COMS象传感器作为编码器系统的光电探测器，使光栅长度计量上实现了从微米级到亚纳米、纳米级的突破。1.2论文研究的目的及内容现代光学光栅测量技术是目前国内外发展较快的四种主要亚微米及纳米测 量技术（包括纳米级探针技术、显微镜技术、光干涉技术、光学光栅测量技术） 之一，课题中研究的小口径光栅测径仪就是光栅测量技术的一个具体应用。课题中本人对小口径光栅测径系统中的光栅传感器、信号预处理电路

20、、CPL的计数和辨向电路、单片机控制及信号处理电路进行了初步研究，重点研究并设计莫尔条纹信号细分与辨向新技术。光栅测量技术是以光栅形成的莫尔条纹为基础的，如果以光栅的栅距或栅角做计量单位， 则只能记数整条纹， 例如，光栅为每毫米 250 线时，燕焦过一个栅距的位移量为4yM，而对高精度的计量和检测通常对长度 的精度准确到1-0.1M,要达到上述的要求，光栅的邻线密度为每毫米千条线到万条线，目前的工艺水平在每毫米刻上万条线及以上则无法实现， 而且也是不必 要的，因此在选择合适光栅栅距的基础上， 使用一定的细分技术对栅距细分读取 栅距的分数值，提高分辨的能力。本论文提出了一种新的电子学细分和应用

21、CPL的辨向方法，设计可以对位移 测量和测量分辨力实现更高、 更灵活的要求， 本课题的研究对更高精度的光栅测 量系统的研制开发具有较高的借鉴价值。主要技术指标：测径范围：2580mm测径精度：0.008mm本论文针对光栅细分测量开展了一系列的研究工作，具体研究内容包括： 一从国内外光栅莫尔条纹技术研究的现状出发， 并对现有的光栅细分的各种技 术进行综合分析的基础上， 确定本课题的主要研究内容， 研制出精度高、 性能稳 定、使用方便的测量系统。二搭建测量的实验硬件系统， 主要包括实验装置和各元件的选择等， 主要 是搭建三角波电路设计、CPL器件的选取以及各种芯片的选择。三.分析传统辨向电路的不足

22、，设计新型的CPL的细分及辨向电路，了解掌 握整个EDA勺实现过程，从文本文件的编写到程序的编写，直到硬件的最终测试。四分析二十细分的算法，从A/D采样控制存储，到动态建立查表，得到二 十细分数值，再和四计数值部分的数值处理， 得到内径的测量值最后送显示电路。五分析误差的产生原因和尽量减小误差的方法。第二章光栅计量系统的总体设计及基本原理小口径电子测径仪的总体结构如图2.1所示，它是由弹性支撑定心装置、测 量本体、光栅传感器、测杆、导向器、万向节、支架等组成。测径电路的主要测 量部分是光栅计量系统（光栅传感器），指示光栅和标尺光栅采用每毫米50对线 （栅距为0.02mm对线）。图N1小口径测径

23、仪鬧结构图，.弾性支挥定巧装置迂 测量本儒3.光栅传感器4测杆5.导向器& 万向节*T.裸度推进乩推燧杆9芟架光栅计量系统由光栅光学系统信号采集电路和信号处理电路两部分组成，总框图如图2.2所示。光栅光学系统信号采集电路主要指光栅传感器，信号处理电 路主要包括信号的细分电路和辨向电路两部分， 辨向电路由整形电路和CPL计数 电路构成；细分电路由差分放大电路、构建三角波电路、A/D转换电路和单片机构成，具体结构和工作原理在第三章和第四章介绍。光栅计量系统的基本工作原理是：由光源发出的光经过光栅副调制， 将机械 位移转换成光信息，由光电接收转换器件变成随光调制变化地交变电信号送入电 子学处理器，经

24、过各种信号的处理和变换后，可以实现对应的各种机械的几何位 移量。光栅计量系统精度包括两个指标：一测量装置在全量程范围上的位移精度；二栅距的细分精度，即莫尔条纹的细分精度。对于前者，主要取决于标尺光栅的精度。对于后者，由于细分精度与信号质 量之间存在密切的关系，因此必须使系统输出良好而稳定的莫尔条纹信号以保证条纹的细分精度光細件感器P?空PjP1P4分大瞎莖啟电电瞬CPLD 计敌 电略CPU分大瞬整M电三角波电瞬A/ft电图22检测莫尔条纹信号恳设计图2.1光栅光学系统信号采集装置光栅光学系统是信号的采集装置，它的工作原理是根据波动光学中光的干涉 和衍射的特性，利用光通过相叠的两片光栅片时形成莫

25、尔条纹， 并将莫尔条纹的 光学信号转换成电信号。图2.3是光栅光学系统的原理示意，共分为两个部分。光源系统。光源系统包括光源1和准直镜2，光源置于准直镜的焦面上， 这样光线经过准直镜后，就可准直成平行光照射到光栅上。单色平行光的光能量 利用率最好。光栅副。图中的主光栅3 （又称为标尺光栅或基准光栅）和指示光栅 4 构成一副测量用的光栅副。主光栅是做为测量基准用的，一般情况下随工作台一 起运动，所以又称为动光栅。指标光栅固定不动，又称为定光栅，指示通常不做 成满量程的刻线，只要足够覆盖光电接收元件即可。ffl 2. 3光栅逬学系统亦L光源2.透鏡乞主光細4.指示迸紙&光电接笑認徉主光栅和指示光栅

26、在平行光照射下，形成莫尔条纹投射到置于其后的光电接 收元件5上。根据光信号的强弱变化，光电元件将光信号转换成电信号的输出。2.2光栅的分类及原理光栅有长光栅和圆光栅两种，长光栅是尺形，所以称作光栅尺，用来测量线 形长度的；圆光栅是用来测量角度的，但是两者的原理是一样的。光栅分为透射 式光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅是用光学玻璃制成的，用光刻机在光学 玻璃上刻出大量的宽度和距离都相等的平行线条称为刻痕。刻痕相当于毛玻璃， 不透光，只有两个刻痕之间的光滑部分透光，相当于一条窄缝。如图2.4所示尺上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为a （白色），不透光的缝宽为b（黑色），一般情况下，透光缝

27、宽等于不透光缝宽，即 a=b。W二a+b,称为光栅 栅距。透射光栅的特点是光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接接收，因此信号幅值比较大，信噪比高，光电转换器（读数头）的结构简单。同时线条可 以刻的很密，每毫米可以刻100条甚至更多条线，从而可以减轻电子线路的负担， 并达到很高的精度。金属反射式光栅是在金属镜面上刻成全反射与漫反射问隔baffi 2.4光栅结构示意图丿等密的密集线纹制品，它的特点是不易破碎,量程较大，线膨胀系数很容易做到常用的光栅传感器多是与机床用的普通钢或铸铁一致。光栅尺的类型有很多种, 黑白型的，属于透光和不透光的类型。对于圆光栅来说，更多的使用栅距角的称 呼，并以c表示

28、，它是指圆刻度盘上相邻两刻线间的夹角。2.3莫尔条纹形成及光栅测量原理将两块黑白型光栅刻线面相对，并使两片光栅的栅距之间形成一个小的角度9,这时，在近于栅线垂直的方向上就出现明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔 条纹，莫尔条纹中两条亮纹或者两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，或者称为条纹间距。当光栅副中一片光栅(一般是主光栅)相对于另一片光栅沿着垂 直栅线反方向上相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的方向做相应 的移动。两片光栅的栅线之间没有间隙，而且不考虑光栅的衍射作用及认为两者 栅距黑格相等，缝宽和线宽完全一致。一般光栅的栅距W远比照射光的波长大 得多，因此通常采用遮光原理解释莫尔条

29、纹的形成，如图2.5所示。在h h线上，两块光栅的栅线彼此重合，从棱形缝隙中通过光的一半，透光面积最大， 形成条纹的亮带；在g g线上，两块光栅栅线彼此错开，形成条纹的暗带， 一般a=b=W，即此带是全黑的。条纹宽度 B与栅距，夹角的关系，可由图2.6中2的厶ABC导出，即B = AD2AB=：2x2 x丄=-(2.1)亠ig w0E 2. 5光栅莫尔条絃形成a图2眉莫尔条纹宽度计算示意图般e很小故上式可简化为B豊，其中夹角的单位为rad栅距V和条纹宽度B的单位都为mm。当两光栅沿着垂直于栅线的方向相对移动时，莫尔条纹将沿着平行于栅线的方向移动。光栅每移动一个栅距W,条纹就跟着移动一个条纹宽度

30、B。光栅上面的变化对于某一点来说，随着动光栅的移动， 在理想条件下，莫尔条纹的波形图呈等腰三角形，如图2.7(a)所示。在实际情况下，两片光栅之间不可能没有间隙，光源也不可能为绝对的平行光，光栅线间的 距离，线宽和缝宽也不可能绝对精确，由于两光栅之间有一定的空气间隙， 光栅 栅线刻制质量的影响，使莫尔条纹的三角形光强分布被削顶和削底，形成正弦波。 如图2.7(b)所示。置于某一固定位置的光电元件接收到的光能量随着相对位置的 变化而变化，其输出的电信号也是按同样的规律变化。 变化周期数与两片光栅相 对移过的栅距数同步，即每移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距，光电元 件输出信号变化一个周期。图

31、NY理想光捌亮度变化2.4莫尔条纹的转换特点一莫尔条纹间距对光栅栅距的放大作用两块栅距相等的光栅、若以微小倾角 叠合则会出现横向莫尔条纹。由于其 莫尔条纹移动的距离（照血条纹宽度）比光栅移动的距离（栅距）大得多，放用 光栅测量位移具有放大的作用。在两光栅栅线夹角 e较小的情况下，莫尔条纹宽 度B和光栅栅距W、栅线夹角之间有下列近似关系：WB= 9如当 w = 0.02mm,(2.2)9= 0.00174532rad(0.1)时，B=11.4592mm即光栅移过0.02mm,莫尔条纹移动一个条纹宽度11.4592mm。当栅距W一定时，调节不同的9, 可以得到不同的条纹宽度，这样对信号的接收以及实

32、际的调试带来很大的方便。 这是一般测量仪器所不能比拟的。 莫尔条纹间隔比光栅栅距大很多，因而可以在 一个条纹间隔内安放细分装置进行细分，明卖取位移的分数值，这样就大大提高了仪器的灵敏度和精确度。光栅副是一个高质量的可调前置放大器，广泛地用于实现高灵敏度的位移测量。平均误差作用从前述的光电元件输出信号波形图可以看出，相邻两个周期的幅度近于相同，也就是说波形的相邻精度很高这是由于光栅的平均误差的结果。 光电元件接 收的光信号进入光栅视场的黛纹数刀的综合平均效果。 若一个光栅有局部误差或短周期误差，由于平均效果的影响将大大减弱:(2.3)由此可见。测量精度仅同进入视场的线纹数的平均间隔是否处处一致有

33、关系，而与光栅上相邻线纹间隔的精度无关。例如，一个每毫米50条线的光栅W=0.02mm，设其中单线误差为=1mm，采用10mm的硅光电池接收条纹信号，视场内同时参加工作有N=10 50=500条线、总输出为500条线中每一条线输出之 和，由式（2.3 ）可以求出1(2.4)二0.04 500可见莫尔条纹总是由两块光栅的大量栅线共同形成的宏观效应，此对栅线的 某些误差(主要是偶然误差和小周期误差)有平均作用，能在很大程度上减小这 些误差的影响。运动的对应关系一对光栅中的任意一个光栅，如果沿着垂直于刻线方向运动、莫尔条纹就沿 着近似垂直于光栅运动方向运动， 而且移过的条纹数与栅距数一一对应， 光栅

34、移 过一个栅距，莫尔条纹就移过一个条纹宽度。当光栅改变运动方向时，莫尔条纹 也随之改变运动方向，两者的运动始终保持对应关系。因此，要知道光栅运动方 向和距离，只要测量莫尔条纹的运动方向和移过的条纹数目即可， 而后者的测量 要方便得多。易于实现自动控制和自动测量光栅的莫尔条纹信号，一般光强和反差较大，光电转换后其输出信号也较强。 再者，采用非接触式发信号装置，能够将被测量值快速而准确地传给其他系统， 能够瞬间自动地处理测量信息，并将原始模拟信号转变成为数字信号， 从而实现 自动控制和自动测量，实现数字化。2.5光栅测量方案与细分技术一.光栅测量方案计量光栅是一种增量式的光学标准器。 在长度测量方

35、面，光栅是以栅距为增 量的编码尺。测量时，以光栅为标准器，对某物体进行比较，如图 2.8所示，就 可以在光栅尺上读取被测物体的长度X:X =AB NW 、2 二 NW 、(2.5)式中：N AB间的栅线数目；、i和 在AB两端对应的光栅上读取的小于一个节距的小数值由此可见，光栅测量实质上就是读取相应的栅线数目和小于栅距的小数值和。如果测量精度允许精度舍去小数值 1和,则方程式简化为式2.6，这样，光栅测长 就变成了单纯读取光栅栅线数目N值。X =NW(2.6)如果测量精度不允许舍去小数值 i和2，则必须对光栅的栅距进行细分。假 设栅距可然被分成n等份，则光栅细分的分辨率为：帔测物长X,圈线82

36、/光栅r/餐PNWJiiiiiiniiiiilllllllllllllll 開 IU1IMIIIHMMiiiihiiiiriAB（2.7）国2.8光栅测长示意图此时测量的小数值:(2.8)、.二m .式中：m=0,1,2,3,4, ；m,将式2.7和2.8代入2.5,并令 M=Nn=m贝U:X = M .（2.9）上式就是细分系统的分辨率为最小测量单位的光栅测量方程式。二光栅细分技术光栅测量就是信号的计数和细分问题，目前高精度的计量的分辨率要达到微 米甚至是亚纳米级，目前用作计量光栅密度通常为202000线/mm,因此要达到 上述分辨率必须对光栅信号进行细分，提高不满周期的分辨能力。光栅细分方

37、法有三种：一是机械细分，即增加光栅刻线密度，此方法受工艺 的限制。二是机械一光学细分，位移的分数值通过微动的指示光栅达到预定的基 准相位的位置，称为零位法，其缺点是每次读数必须归零，但电子系统简单，细 分力强，精度也高。三是电子细分法。电子细分的方法很多，主要分为纯硬件方 法和利用微处理器实现的软件细分两大类。纯硬件细分系统响应速度快，但是细 分数一般不高；软件细分可以实现较高的分辨率，但是系统的实时性受到影响。 纯硬件电路细分包括直接细分、电桥细分与电阻链细分、相位调制细分以及锁相 细分。1.直接细分直接细分又称四倍频细分，其基本原理是将传感器输出的两路相位依次相差 90的信号，利用没土过氰

38、撇器在一个周期内得到 4个相位依次相差45的脉冲 信号。这样就可以实现对输出信号的四倍频细分， 而且可以根据信号出现的顺序 确定方向。直接细分法对于传感器无附加要求， 但是硬件电路较为复杂，且细分数不咼。2 电桥细分和电阻链细分电桥细分的原理如图2.9所示，图中Uc和Us对应于正弦信号和余弦信号。Rl为负载电阻。当电桥处于平衡时，可得sin R(2.10)costR2选取不同的 乞的值，就可得到不同的二值，获得要求的细分。电桥需要从R2输入电路中消耗一定的功率，细分越大，消耗功率也越大。因而细分数受到一定 限制，另外电桥细分对信号的波形、幅值和正交性都有严格的要求，否则会带来 测量的误差。电阻

39、链细分本质上也是电桥细分，因为电阻链细分是一个分压关系， 但是由于电阻阻值的调整比困难，因此细分数不可能做得很高。图29电桥細分原理图3.相位调制细分相位调制法的基本原理是按照三角函数中两角和的公式来模拟实现的，其计算公式如式（2.11）所示。sin（ t）cos（二）cos（ t）sin（）=sin（ t 亠）（2.11）从公式（2.11）可知，从加法器中得到的sin （tv）信号与基准信号sin （t）进 行相位比较，就可以得到唯一的相位角 二，用代表该二角的方波的前后选择时钟 脉冲的通过。通过的时钟脉冲即为计数脉冲。这种方法可以得到较高的细分数， 通常为2001000。但是相位调试细分法

40、对运动的均匀性要求较高。该方法要求 调制信号的频率远高于传感器输出信号的频率，否则在动态测量中容易引入误 差。4锁相细分法 锁相细分法的原理是将分频器的输出信号与传感器的输出信号通过鉴相器 处理后，控制压控震荡器输出信号的频率， 压控震荡器的输出即为所需的倍频信 号。由于压控震荡器输出信号的频率为传感器的信号频率的N度，因此必须通过一个N倍的分频器分频后才能送入鉴相器。锁相细分法可以达到较高的细分数， 但该方法对信号的匀速要求较高， 因此在使用范围上会受到一定的限制。 当细分 数较大时， 采用纯电子细分方法系统的硬件电路就会变得比较复杂。 由于纯硬件 电子细分方法对信号的要求比较高， 且调整复

41、杂， 所以硬件电子细分法无法应用 于高分辨率的系统。5微机细分技术随着微机技术的发展， 利用微型计算机通过数字计算进行细分的方法开始出 现。微机细分技术从原理上可以分为以下三类。(l )与硬件细分相结合 与硬件相结合细分技术是在硬件电子细分法的基础上， 引入微型计算机以简 化电路结构， 并提高系统的数据处理能力。 此类细分系统中， 微型计算机并不直 接进行信号细分， 因此信号的细分分辨率还是由系统原有的硬件决定， 但采用软 件代替速度判别电路，得到位移量和最大位移量等。(2)时钟脉冲细分技术 此方法是将位移信号的细分转化为计时的方法， 在信号的位移区间内填入微 机时钟脉冲信号，根据所填的脉冲数

42、目就可以确定出要求的位移 x。由于微机时 钟脉冲频率或分频数很方便的改变分辨率， 大大简化了硬件电路， 避免了硬件电 路中各种干扰带来的影响， 保证测量结果的稳定和可靠。 然而由于速度误差和信 号相位误差的存在，时钟脉冲信号细分技术应用范围受到相应限制。(3 )量化细分技术通过传感器输出两路正交的正弦信号， 首先将一路信号经放大整形后得到方 波信号，计算机对方波信号的脉冲进行计数。同时将两路正弦信号进行A阳转换, 根据两路信号的正负和大小， 将一个信号周期细分为八个相位区间， 再根据两路 正弦信号的绝对值之比查表确定细分数。 如果需要进一步的细分， 可在每个区内 再进一步细分。量化细分的倍频数

43、可根据 A/D的位数设定，且细分倍数和精度较 高，是目前应用较多的一种微机细分技术。微机细分技术充分利用了计算机的优势， 在软件上加以扩充可方便的进行误 差修正等操作， 可以大大提高传感器的测量精度和分辨率， 很容易扩展传感器的 功能。2.6 本系统的特点和关键技术根据以上对莫尔条纹信号的细分技术的研究， 本论文的设计方案的原理是量 化细分技术， 将四路带有直流分量的正余弦信号去除直流成分， 得到四路只有交 流成分的正余弦信号，一方面经过整形电路送入CPL进行四细分及正逆辨向计数，另一方面将正弦信号振幅合成线性三角波，利用A角采样进而软件查表编程方法来实现，最终实现二十细分的技术指标。本文的关

44、键技术是CPL的四细分可逆辨向电路设计和 A/D采样的一些控制以 及四细分数据和二十细分数据的处理。第二章 光栅莫尔条纹信号辨向电路的设计对于光栅位移测量系统，光栅相对移动所形成的莫尔条纹经四向硅光电池进 行光电转换，输出四路相差90。的正弦（余）波信号，一般整数周期计数方法通 常为正交信号（相位相差90），即每1/4周期进行计数，可以确定的整数周期进 行准确计数，不满1/4周期的信号采用进一步细分的方法测量。设计思路如下：正交的正余弦信号处理后经整形电路转化为方波，通过CPLD处理电路对信号的电平状态进行判断从而得到实时的正逆整数周期计数，即每过1/4周期，即产生一次计数，在正向移动的情况下

45、进行加计数， 在反向移动的情况 下进行减计数。同时根据CPLD的FLAG端信号可以判断光栅传感器的移动方向， 高电平时移动方向为正，低电平时为反向移动。在正常情况下，整数周期信号稳定可靠是保证光栅测量系统的精度的基础。 并且四倍频输出的辨向信号为数据处理模块在进行测量数据处理时提供方向辨 别，这一路数字信号传输路径主要是对测量结果的整数周期数进行计数，另外一路信号传输路径是对小于整数周期信号的细分测量。3.1差动运放去直流电路实验中发现光栅传感器的四路输出信号（正弦，负正弦，余弦，负余弦）含 有直流成分，所以采用差动放大器去掉直流电平，本设计差动放大器采用 LM324N。直流分量相互抵消，交流

46、分量相互叠加，则输出一个放大2倍的不含直流成分的正弦波信号，电路图如图3.1所示。3 3.1差动去直流电路*,本设计的运算放大器件采用LM324N，它是四运放集成电路，采用14脚双列 直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外， 四组运放相互独立。每一组运算放大器有5个引出脚，两个信号输入端中，7.-() 为反相输入端，表示运放输出端 V。的信号与该输入端的位相反；V2 ()为同相 输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同，放大器电压放大倍数A仅由外接电阻R、R2决定。Av =-Rl( 3.1)R.负号表示输出信号与输入信号相位相反。 按图中所给数值，电阻

47、均采用同阻 值的电阻，此电路仅用做减法电路，放大倍数为1。3.2整形电路由差动运算放大器输出的信号是交流双极性信号， 是模拟量，我们需要将正 弦和余弦这两路正交信号转换成方波信号，即变为二进制数字量送入CPL进行下 一步的处理。采用整形电路，禾I用过零比较器 LM311P实现方波的输出。LM311P 的特点如下：快速的反应时间；最大输入偏置电流为300nA;最大输入补偿电流为70nA;LM311是高速电压比较器，它可以在一个宽电压的范围内工作，包括15V双电源供电和5V的单电源供电。输出电平和 TTL和MOS电平都兼容。它的输出 引脚驱动照明和继电器，转化电压在50mA的时候电压可达到20V,

48、 LM311的工作 范围为0C70C.补偿平衡端和闸门端是可以利用的， 输出端可以是线或连接， 如果闸门端是低电平的话，输出将会是关断状态而不管输入的状态如何。它有同向和反向输入端，输出端可以从 EMIT输出或者COL输出端输出，依 照设计者的不同需要所得。由于本论文的设计是将正弦波经整形比较电路得到同 相位的方波输出，所以在这里采用 COL输出，过零电路功能模块如图3.2所示。波形变换输出如图3 .3所示，输入为正弦信号，输出为与之相位一致的方波 信号。在信号处理过程中，四细分及辨向电路是一个核心，它不仅将信号四倍频 计数，并且区分了读数装置的运动方向，即实现了可逆的计数。采用LM311P比

49、较器组成的整形电路比传统的有分立元件组成的光电脉冲整 形电路简单，性能优越，提高了系统的可靠性和性价比。图3；整形电路波形示意图3.3传统辨向电路的缺点分析传统辨向电路如图3.4所示图3.4统辨向电路框图屮传统的辨向电路四倍频后的脉冲信号的宽度小于光脉冲周期的1/4，才能正 确计数。然而单稳态触发器产生的脉冲信号的宽度取决于外部电阻和电容的参数，为了保证在光栅脉冲高速输出时仍能满足这个要求，必须选择较小的RC时间常数，以产生宽度较小的脉冲。而如果 RC时间常数过小时，电路所产生的脉 冲信号边沿以及幅度都难以满足计数器稳定工作的要求。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件和

50、EDA 技术逐步得到普及， 电子系统设计发生了革命性的变化， 解决了以往以分立元件 为基础的电子系统存在的许多不足。现在，利用可编程逻辑器件和EDAL具，就可通过设计芯片来实现系统功能， 将原来由电路板设计的大部分工作放在芯片的 设计中进行，极大地减少了设计的盲目性，提高了设计效率。可编程ASIC是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，CPLD和FPGA是可编程ASIC中极具魅力的可编程器件。随着大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA的飞速发展，可编程逻辑器件可以完全代替传统的逻辑电路。 这样的设计方法使印制版的面积 大大缩小。 有利于提高系统的稳定性， 将原来的大部分硬件设计经过编程而使

51、其 功能用软件来实现， 明显降低了硬件设计的复杂度， 因而制成的设备体积小、 重 量轻、功耗低、速度高。3.4 设计环境概述随着大规模集成电路设计规模和技术复杂度的急剧增长，EDA 软件应运而生，它可以直接利用计算机完成复杂的设计，更快更好的实现产品的优化设计， 利用EDA技术对CPLD/PGA的开发，通常是一种借助于软件方式的纯硬件开发。在电子设计技术领域，可编程逻辑器件（PLD）的应用，为数字系统的设计 带来极大的灵活性。 由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式 进行重构， 使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷， 这一切极大的改变 了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃

52、至设计观念。在 EDA软件平台上，根 据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑映射和编程下 载等工作，设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述， 在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的设计结 果。尽管，目标系统是硬件， 但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和咼效。EDA勺实现是与CPL序PGA技术的迅速发展息息相关，CPL序PG是80年代中 后期出现的，其特点是具有用户可编程的特性，利用序PGA设计工程师可以在实验室中设计出专用1c，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发并且降低了 开发成本。3.5辨向电路设计及工

53、作原理正余弦信号经过整形电路输出与之周期一致的方波信号，送入CPL进行计数和辨向。电路功能模块如图3.7所示。控制过程如下：在光栅传感器开始测量前先将其进行校正， 使其为绝对零位。 光栅传感器推进口径进行测量，移动开始发出清零信号，使CPL计数器从零开始 计数；在推进的整个过程中，显示电路处于实时显示状态直到数据不再改变，即为此时内径的长度。内径长度由四细分的数值部分和二十细分数值部分构成，因为整个测量体各处的直径不同，实时存在辨向的要求，因此逻辑辨向电路是整个 辨向电路的核心。第四章 光栅莫尔条纹信号细分电路的设计上文利用CPLD寸电平状态改变的判定实现正弦信号每1/4周期（即相位差90 ）

54、整数的正逆计数，对于不足1/4周期的位移，需要由进一步细分得到。细分 部分的设计采用正弦和余弦信号振幅合成线性度良好的三角波，将其进行A/D转换进行微处理器的软件细分，从而得到二十细分的精度，贝U测量的位移为1L=N d d ，式中N为整数计数值，d 为将1/4周期进行五细分所得到的数值4部分，从而实现二十细分精度为1卩mt勺要求。4.1振幅合成线性三角波的设计为了获得精确的位移值，必须对位移进行细分。在一个周期内，正弦函数是 与相位或者说空间位移量是一一对应的， 只要能测出正弦函数的大小和正负，就 可测出光栅副间的相对移动量。但是由于光栅信号的正弦性在一个周期内的不同 部分，斜率相差很大（在

55、90和270附近的线性很差），而交替使用正余弦信号 会因为带有噪声的实际信号会造成衔接误差， 所以利用两路正交正弦信号通过模 拟电路合成近似三角波，再用单片机进行细分。一方面由于合成信号的斜率处处 近似相等，整个周期内都有相同的灵敏度；另一方面，合成信号的频率是原来正 （余）弦信号频率的二倍。图4.1正弦波振幅合成三弟波平意图+J用光栅信号的幅值合成可以提高细分数，同时提高测量精度。正弦波振幅合成三角波如图4 .1所示。具体三角波函数如式所示:(4.1)U =| usin a | -|u cosa |设计中采用精密全波检波原理实现正弦及余弦信号的绝对值电路。图4.2所示为精密全波检波原理电路图

56、ICI和IC2各自组成放大倍数相等的负反馈放大器，正弦信号通过R7扩接到IC1的反向输入端，当 V为正时，D1和D2截止，对于IC2，输入信号为V1和V01。由于IC1 和 IC2为运算放大器，由虚短概念,V =V_Vo1 八 R7ViR, /R=R00利用叠加定理可得输出信号为RoRTR10RooRR7ViR10这里取 R7 二 & = R9 二 R0 二 R1 = R2 =10K则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此芯片特点：宽共模（最大可达 VCC+和差 模电压范围；低输入偏置电流和偏移电流；输出端具有短

57、路保护的功能；高输入 阻抗J 一 ET俞入级；带有内部频率补偿；锁定功能自由控制操作；高转换速率： 16V/y s （典型值）。TL084是高速J-ET输入四通道运算放大器，它在一个单片 集成电路里包含了良好匹配的高压J-ETT及双极性三极管，它具有宽的增益带宽 积为3M这种结型场效应管工艺的运算放大器主要是将标准硅工艺的集成模拟运 算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大提高了运放的开环输入阻抗，顺带 提高通用运放的转换速度。当V10时，V。= 匹二斗R9(4.7)所以原来输入波形为4.3(a)，经过精密全波检波电路后得到波形即|sina|输出波形(b) +如图4.3(b )所示ffi 4-

58、 3精密检波电路而同理对于输入信号cosa，为了输出设计中的-|cosa|，设计的模拟电路图如图4.4所示图4.4精密全检波电路(负绝对值)原输入信号波形Jcosa和输出信号波形-|cosa|如图所示4.5(a)和4.5(b)输入波形(a)图45检波电路,加法电路实现了线性三角波的合成，电路图如图4.6所示。设正端电压为V , 负端电压为Vn，根据虚短和虚断原理 TOC o 1-5 h z Vp 二Vn(4.8)V0VP V0VP 二 0(4.9)R13R26Vn = VoutR14(4.10)R14 + R15这里取电阻 R13 二 R14 二 R15 二 R26=10K，根据方程(4.8)

59、(4.9)(4.10 )得到输出信号为(4.11)VOUT =|usina| -|ucosa|图46加法电路模拟合成三角彼整体电路如图4.7所示：它的原理就是将正余弦信号经过绝 对值电路分别转换为|us in r |和-| ucosr |，再经过LM324勺增益为1的加法电路, 得到Vout =|usi nr|-|uCOsr|即得到设计中光栅信号振幅合成的要求，经实验得 到合成的三角彼为标准等腰三角形。4.2细分电路的设计细分电路设计如下：将模拟电路合成的三角波进行 A/D转换为数字量，再送 入微处理器进行处理。由于光栅传感器内部包括光源等器件容易老化等原因，幅值会有所改变，不宜使用原始的固定

60、的幅值。设计采用动态制表方法，即通过单 片机外部中断采样而得到三角波幅值。 由于三角波是严格的等腰三角形，正程和 反程相对称，所以只要制一个幅度细分的表即可，利用微处理器根据最终A/D存储的最终采样值进行查表转换，即得到二十细分部分的值。最终采样点处于三角 波的正程和反程有所区别，如图4.9所示：计数n-1-图49终点采样点的位置区别牡对于A点，它相对于整数计数n+1可定义为此三角彼的正程，而B点相对于计数n+1处于三角波的反程。如果采样终点位于三角波正程（如 A点），测得的位移值为：设1/4周期的位移量为d, A或B点位于第N个区间,而当采样终点位于三角波反程（如B点）则(4.12)L =(