（信号与信息处理专业论文）光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究.pdf

摘要 自上世纪五十年代以来，随着光栅刻划技术和电子技术，以及计算机技术的发展， 计量光栅技术已成为一种专门的技术并得到了迅速发展。目前，光栅测量系统已广泛 应用于工业生产和国防等诸多领域。然而随着计量测试技术的发展和实际应用要求的 不断提高，更高分辨率和更简便易行的光电角度精密测量装置有了新的市场需求，光 栅计量技术也需适应市场要求而需不断发展。 本论文避开了纯硬件设计的缺点，提出了一种新的莫尔条纹电子学辨向和细分的 方法，利用单片机与可编程逻辑器件c p l d 相结合，进行角度的测量，从而实现较高的 测量精度，本论文关键技术就在于利用c p l d 实现辨向和细分，再利用单片机实现进一 步的细分，从而达到更高的角度测量和测量分辨率，本课题的研究对更高精度的纳米 级光栅测量系统的研制开发具有较高的借鉴价值。 关键词：光栅计量辨向莫尔条纹可编程逻辑器件细分 a b s t r a c t s i n c et h ef i f t ho fl a s tc e n t u r y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo f g r a t i n gs c o r i n g a n de l e c t r o n i c s ，a sw e l la st h ec o m p u t e rs c i e n c e ，m e t r o l o g i c a lg r a t i n g t e c h n i q u eh a sb e c a m e a s p e c i a lt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p e dr a p i d l y n o w , t h eg r a t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n yr e g i o n ss u c ha si n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dn a t i o n a ld e f e n c e h o w e v e r , a s t h ec e a s e l e s sd e v e l o p m e n to fm e t r o l o g i c a l t e c h n i q u ea n dh i g h e rr e q u e s to fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h en e wd e m a n df o rt h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fg r a t i n gp h o t o e l e c t r i cd e v i c eh a s a p p e a r e d i nt h et h e s i s ，i ta v o i d st h ed i s a d v a n t a g eo fh a r d w a r ed e s i g na n dp r e s e n t san e w d i v i d i n g m e t h o db a s e do ne l e c t r o n i c s ，w ec o m b i n es i n g l e c h i pa n dc p l dt od e t e c ta n g l e ，t h ed e s i g n c a l la c h i e v em o r eh i g hr e q u i r e m e n t sf o rp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t t h ep i v o t a lt e c h n i q u eo f t h i sp a p e ri st ou s ec p l d a c h i e v i n gd i v i d i n ga n dd i s t i n g u i s h i n gd i r e c t i o n ，a n du s es i n g l e c h i p a c h i e v i n gf a r t h e rd i v i d i n g ，t h e r e b y ，i tc a nd om o r eh i g ha n g l em e a s u r e m e n ta n dr e s o l v i n g p o w e ro fa n g l e t h ed e s i g no ft h i sp a p e ri sm o r eu s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to fm e t r o l o g i c a l g r a t i n gt e c h n i q u e k e yw o r d s ：m e t r o l o g i c a lg r a t i n g d i s t i n g u i s hd i r e c t i o nm o i r f r i n g e c p l d d i v i d i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光栅度盘测角仪中信号的辨向细分 技术的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：蒸l 牟三乙4 年月4 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丛j 左垄一一年三月4 日 指导导师签名： 月号日 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁记 光栅测量是一种精密测量技术。虽然早在一百多年以前，人们就开始知道了光栅 的莫尔条纹现象，而且原理也十分简单，但由于受到计量光栅本身制造技术及相关电 子技术发展的限制，使得计量光栅技术应用几未进展n 引。 二十世纪五十年代初期，伴随着数控新技术的出现，英国国立物理研究所( n p l ) 对大尺寸衍射光栅及莫尔条纹的研究成果，首次被英国菲南梯公司作为数控机床自动 反馈检测元件引进到工程界，计量光栅开始进入工程界。由于计量光栅具有一系列的 优点，因而一进入工程界就显示出了其强大的生命力口7 l 。 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。莫尔条纹细分技术的逐步完 善，使得光栅技术在计量测试领域有了进一步的发展并取得了广泛的应用。一般认为， 光栅式测量具有以下优点啼刚： 1 高精度，光栅式测量装置，在大量程测长方面精度仅低于双频激光干涉仪，而 对于要求整圆范围内高分辨率的圆分度测量来说，光栅测量原理与其他原理相比，是 测量精度最高的方法之一。 2 兼有高分辨率和大量程两种特性。这对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1 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 啪，测角时采用多头多圈测量，分辨率 可达o 0 1 。 3 由于多根栅线的综合作用产生了莫尔条纹，因此有消除或减少光栅局部误差、 缺陷和短周期误差的效果。它虽然不能消除和减小累积误差，但能使误差曲线变得平 滑，有利于累积误差的校正。 4 非接触测量，无磨损，寿命长，可长期保持光栅精度。 5 易于实现自动控制和自动测量，具有较高的测量速度。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，能够将被测量值快速而准确的传给其 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。 6 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。也可以选用膨胀系数与被测对象膨 胀系数相同的材料，从而减小温度对测量精度的影响，提高了对环境的适应能力。 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 光栅刻制技术受到制作工艺的限制，因此研制莫尔条纹的细分方法已经成为提高测量 精度亟待解决的问题，采用何种细分方法，直接影响着光栅检测系统的分辨率。 1 2 光栅度盘测角仪的国内外发展现状 1 2 1 光栅测量技术的起源 计量光栅技术的基础是莫尔条纹( m o i r ef r i n g e s ) ，1 8 7 4 年由英国物理学家 l r a y l e i g h 首先提出这种图案的工程价值，直到2 0 世纪5 0 年代人们才开始利用光栅 的莫尔条纹进行精密测量。1 9 5 0 年德国h e i d e n h a i n 首创d i a d u r 复制工艺，也就是在 玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅 计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1 9 5 3 年英国f e r r a n t i 公司提出了一个四 相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期内实现四倍频细分，并能鉴别移动方向，这就 是四倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。在此后的2 0 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8 0 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 4 0 o 1 2 2 国内外发展现状 当前世界上主要生产光电轴角编码器的厂家有：德国h e i d e n h a i n 公司，0p t o n 公 司，美国的i t e k 公司乜钉口钉，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。其 中h e i d e n h a i n 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。 我国对计量光栅的研究始于1 9 6 0 年前后，由中科院长春光机所率先进行光电轴角 编码器的研制晗，现已有增量式和绝对式数十种型号的产品。此外，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。在提高光电编 码器的分辨率和精度方面，国内外己采用电子学细分，多头读数及提高码盘刻划精度， 提高轴系精度等多种措施。成都光电所研制的2 5 位绝对式光电轴角编码器，分辨率已 达0 1 0 4 。， 精度0 1 7 1 。长春光机所在8 0 年代末生产的2 3 位绝对式光电轴角编码器， 分辨率为o 1 5 1 ，测角精度达o 5 1 - 。国内其它数十家生产光电轴角编码器厂家，大多只 2 生产低位数的编码器。相比之下，国外h e i d e n h a i n 公司为意大利伽利略望远镜控制系 统设计并制作的2 7 位增量式光电轴角编码器，经2 1 2 细分后，它的测角精度已达0 0 3 6 ， 分辨率约为0 0 1 - ，是当今世界精度最高的光电编码器。美国的i t e k 公司于1 9 8 4 年研 制了2 1 位光电轴角编码器，现也正准备研制2 7 位绝对式光电轴角编码器，以满足其 航天技术的需要。从上个世纪9 0 年代以来，随着c m o s 在技术上的突破，以c m o s 图像 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。 然而，随着分辨率和精度的提高，使得普通光电轴角编码器的体积增大，重量加 重，应用起来受到了限制。尤其在一些小型化的测量仪器和军工产品中，既要求实现 很高的测量精度，又要求体积小、重量轻。光栅度盘测角仪正是根据这种特殊需求开 发研制的。 1 3 论文研究的目的及主要内容 纳米测量技术伴随着纳米科学全面进入2 1 世纪，它不仅带动科技的发展，同时也 能促进经济的发展。纳米测量技术将成为人们征服自然、探索自然的强有力的工具。 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纳米测量技术( 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，光栅度盘测角系统就是 光栅测量技术的一个具体应用。 光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测 量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测角系统是以光栅度 盘中的标尺光栅和指示光栅组成的光栅副发生相对转动时产生明暗相间的莫尔条纹为 基础的，莫尔条纹经过光电传感器转换为电信号，对电信号进行处理可实现转动光栅 角度的测量。在不采用细分的情况下，光栅度盘测角系统的分辨率和度盘的栅格数成 正比，当分辨率要求很高时，则相应的度盘栅格数将会很大( 例如：分辨率为2 。时相应 的栅格数为6 4 8 0 0 0 ) 。由于受光栅刻划工艺水平和制作成本的制约，常用度盘的栅格数 一般都在两万条以下。因此为了提高测量的分辨率和精度，降低仪器设备的成本，精 密测角系统一般需采取细分的方法。传统的细分方法，如光学细分、机械细分、电子 细分等，随着细分数的增加，工艺越复杂，所需的元件也大量增加，这样会带来仪器 的功耗增加、体积增大、故障环节增加和可靠性下降等问题。由于微处理技术和大规 模可编程逻辑器件的蓬勃发展，所以利用微处理器和大规模可编程逻辑器件相结合进 行处理、运算，用软件来实现电子学数字细分的方法也应运而生了，使得传统的电路 设计方法大为改观。 本论文论述了用圆光栅传感器和数据处理技术来实现高精度增量式测角仪。整个 测角仪由机器组件，圆光栅传感器，测量和数据处理电路，数据显示和上位机通信等 部分组成。 3 本论文将采用一种改进的微机细分和辨向技术，来克服传统辨向技术复杂和不可 靠的问题，克服传统微机软件细分带来的“高倍细分 和“跟踪速度 之间的矛盾， 提高了测量速度。使光栅度盘测角仪具有响应速度快，精度高，稳定可靠的优点，从 而达到更高的角度测量和测量分辨力，本课题的研究对更高精度的纳米级光栅测量系 统的研制开发具有较高的借鉴价值。 光栅度盘测角仪的具体技术指标： ( 1 ) 测角范围：0 0 一3 6 0 0 ( 2 ) 测角精度：0 4 。 本论文的主要研究内容： ( 1 ) 结合测角仪对高跟踪速度的特殊要求，提出了一种新的微机细分技术一一改 进的微型计算机鉴相细分技术。 ( 2 ) 针对传统辨向技术复杂和不可靠的问题，提出一种用c p l d 实现简单可靠的 辨向的技术。 ( 3 ) 对测角仪测量电路和数据处理系统进行设计和讨论。 ( 4 ) 通过理论论证，进行软硬件设计。 4 第二章光栅度盘测角仪的测量原理及总体设计 2 1 光栅度盘测角仪整体结构 圆光栅测角仪，是一台集光、机、电一体化的高精度自动化角度检测仪1 。它由精 密空气轴系、压缩空气供给系统、驱动稳速系统、基准光栅盘、工作台部件、标准莫 尔条纹的产生系统、光电信号接收系统、差分、放大、细分系统、计数系统、计算机 及其软件控制系统等组成，如图2 1 所示： 图2 1 圆光栅测角仪结构图 1 被检盘信号接受器；2 被检光栅盘；3 光源系统；4 标准盘信号接受器； 5 基准光栅盘；6 驱动稳速系统；7 工作台部件；8 空气轴系；9 计算机系 统；1 0 干燥系统；1 1 空压机系统 在仪器工作时，放置在工作台上的被测光栅盘随仪器同步转动，由光源发出的光 经过光栅副调制，将机械角位移转换为光信息，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，经过各种信号的处理和变换后，可以实现测量对 应的各种机械的角度位移量。 本光栅度盘测角仪主要有两个设计关键点，一是机械部分的设计，机械系统的关 键是空气轴承和1 6 2 0 0 线的基准圆光栅盘的设计和实施。二是电学部分，电学部分的 5 关键是光栅信号的处理，细分和辨向技术。本论文主要研究的是光栅度盘测角仪的信 号处理部分实现光栅度盘测角仪的细分和辨向。 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，其基本 工作原理是：被测光栅盘和基准光栅盘每转过一条栅线，它们各自都会产生一个完整 的正弦( 余弦) 信号，经过差分、放大、调整，进入计算机细分、计数系统。 2 2 光栅光学系统信号采集装置 光栅光学系统信号采集装置主要由两块相互平行的光栅盘( 光栅盘一一刻有等间 距黑白刻线的玻璃圆盘) 和模拟装置组成。两块光栅盘，一块为主光栅盘，一块为指 示光栅盘，指示光栅盘固定，主光栅盘随仪器观瞄系统( 水平角度测量) 或望远镜( 垂 直角度测量) 转动。模拟装置主要由光源、准直透镜和光电转换器组成，在两块光栅 对径位置上各安置一副模拟装置，以消除偏心差，光源与准直透镜安装在光栅一侧， 光电转换器安装在光栅的另一侧，如图2 2 所示。 光栅光学系统是信号的采集装置，它的工作原理n 1 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尔条纹，并将莫尔条纹的光学信号 转换成电信号。 当两块光栅盘相对移动时，光栅盘上黑白刻线( 透光与不透光) 也就相对移动， 产生光强周期性的变化，形成莫尔条纹，由光电转换器将莫尔条纹光信号转变成电信 号，然后送入信号处理系统，进行辨向和细分。 光电黛接精 图2 2 光栅角度测量系统示意图 6 2 3 光栅测量原理及方案 2 3 1 光栅测量原理 光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光 栅。 光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成，标尺光栅的有效 长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。指示光栅比标尺光栅短得多，但两 者刻有同样栅距。 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。如图2 3 所示，当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度0 来放置两光栅尺时，必 然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于 黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现 亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越 来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有 较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂 直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质： ( 1 ) 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。 ( 2 ) 若用w 表示莫尔条纹的宽度，d 表示光栅的栅距，0 表示两光栅尺线纹的夹角， 则它们之间的几何关系为 ， w = d s i n o ( 2 1 ) 当0 角很小时，取s i n 0 0 ，上式可近似写成 w d o ( 2 2 ) 若取d 一0 o l m m ，0 0 o l r a d ，则由上式可得w = l m m 。这说明，无需复杂的光学系 统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大1 0 0 倍的莫尔条纹 的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。 ( 3 ) 由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个 别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。 ( 4 ) 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个 栅距d ，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度w ，其方向与两光栅尺相对移动的方向 垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。 7 运动方向 “) 伞气 。赶f 面 l c ib - 位移 ：。擘t 侈 h 9 口 l # c 仁 ( b )( c ) 图2 3 光栅工作原理 根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4 个观察窗口a ， b ，c ，d ，且使这4 个窗口两两相m y 4 莫尔条纹宽度，即w 4 。由上述讨论可知，当 两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4 个观察窗口a ，b ，c ，d 可以得到4 个 在相位上依次超前或滞后( 取决于两光栅尺相对移动的方向) v 4 周期( 即万2 ) 的近似 于余弦函数的光强度变化过程，用l 。，己日，o ，l d 表示，见图2 3 ( c ) 。若采用光敏 元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化厶，哥，o ，n 转换成相应的 电压信号，设为圪，k ，昨，。根据这4 个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移 动。 2 3 2 光栅测量方案n 3 1 及总体设计 计量光栅是一种增量式编码的光学标准器，圆光栅是以栅距角妒为增量的编码器， 其编码方程为： 驴一n 妒+ 6 ( 2 3 ) 式中圆光栅的圆周角 一光栅的栅线对数 6 一一不足一个栅距的小数值 由此可见，所谓光栅测量实际上就是读取相应的n 和6 的值。对于n ，只要将光栅 相对移动所形成的光信号，经光电转换器后形成的电信号进行周期性计数即可获得。 至于6 ，就需要经过细分来获得。如果栅距用表示，n 为细分数，则细分的分辨力f 可表示为 z ：竺， 贝06 ：m z ， z = 一， l 火ud= 。z ， n 8 其中胁= 0 ，1 ，2 优。 所以圆光栅的测量方程为： 妒= n 妒+ ，打。f = ( n 。刀+ ，行) z ( 2 4 ) 基于上面的理论分析，对光栅计量系统中的信号处理电路的总体设计框图如图2 4 所示。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c p l d 辨向计数电路构成；细分电路由绝对值电路、模拟电子开关电路、1 2 位逐次 比较型a d 转换电路和单片机构成。 s i n a 绝 s i n a 对模拟 加 值电子 模数 键盘 c o s a 电 c o s a 开关 转换 显示 器微 电路 路 处 过零 c p l d 莎7 卜 理 器 上位 比较 辨向 机通 细分 信 器 电路 图2 4 信号处理电路总体设计框图 2 4 莫尔条纹的电子细分技术 细分，也称为倍频，也有文献称之为插补或插值。莫尔条纹的细分方法主要有光 学细分法、机械细分法和电子细分法等几种。 莫尔条纹的光学细分是指，用光学的方法使光栅系统在一个栅距的位移内发出多 个周期的莫尔条纹信号，以达到提高测量分辨率的目的。一般有两种实现方法：利用 光栅的高级次衍射光或经光栅多次衍射。光学细分的特点是比较可靠，但往往使系统 的光路复杂化，加大调整难度，不可避免地降低条纹强度，影响信号的信噪比，而且 细分倍数有限。 机械细分在细分原理上与光学细分完全不同，光学细分的实质是使信号频率倍增， 而机械细分则是用压电器件或微动手轮等微动装置配以小量程高分辨率的测量装置对 不到一个栅距的信号进行零位跟踪的方法来准确地测取小于一个栅距的小数部分位 移。机械细分的最大优点是对莫尔条纹信号的波形无严格要求，而且细分倍数较大； 缺点是实现起来比较麻烦，并且不能做连续动态测量，因而使用场合受到限制。 莫尔条纹的电子细分是把莫尔条纹信号转换为电信号以后，采用电子学的方法对 一个周期内的信号进行细分处理。电子细分具有读数迅速，易于实现测量过程自动化 9 和数据处理自动化，并能用于动态测量等特点，而且与光学细分和机械细分相比成本 低，比较容易实现高的细分倍数，是测量系统获得高分辨率的关键技术。因此莫尔条 纹的电子细分技术已成为光栅式位移测量系统必不可少的组成部分之一。 下面简要介绍一下应用范围较广、比较典型的几种细分方法的工作原理1 。 1 矢量运算法 当两个幅值相等但相位不同的矢量信号通过差分放大器进行加减运算后，所得到 的新矢量的相位将不同于原来的两个矢量。在实际应用中，首先由多路光电接收器得 到有一定相位差的一组信号，这组信号经过多次差分运算，就能在一个莫尔条纹信号 周期内，获得数量更多的具有恒定相位差的正弦波形，然后对信号进行整形，从而达 到莫尔条纹细分的目的。这种细分方法是以差分放大器为组合单元，易改变细分倍数， 但细分倍数大时，结构复杂，对信号质量要求高，适用于细分数较小的动态和静态测 量。 2 移相电阻链细分 如图2 5 所示，两路正交信号加在电阻链的两端，则中间抽头的输出为 “z ，。墨墨一玑s i n 0 + 刍一玑c o s 0 “r + 恐+ 恐1r + 足+ 坞1 = v z l s i n ( o + 仍) ( 2 5 ) d = 2 图2 5 电阻链细分原理图 式中吣等等等啪输出信号贼仍呱1 ( 矗) 为输出信号的相角。 嗍可得也s i n m 咖舯 裂阢；q 9 2 一t g - 1 ( 警) 。 因此，通过上述电阻链可达到对原信号进行移相的目的。增加电阻链的抽头，合 理地设计各电阻的阻值，在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系 列移相信号，再用鉴零器对它进行鉴幅、整形，便可以在莫尔条纹信号的一个周期内 得到若干个脉冲信号。根据接法不同，移相申。阳链细分又可以分为串联审阳锛细分和 1 0 并联电阻链细分。这种细分方法可实现的细分数较大，精度较高，但对信号正交性要 求严格，随着细分数增加，电路成比例复杂化，零点漂移对细分精度影响较大。 3 载波调制法 设用光电转换器件获得的相位差为9 0 0 的两路正交信号经过差分放大器放大后消 除了直流电平，并且忽略了高次谐波，该信号可表示为 u 1 s i n 0 一u 1s i n 2 a r x d ( 2 6 ) 以c o s o = u c o s 幼叫d ( 2 7 ) 其中d 为光栅栅距；x 为光栅位移量中一个栅距的分数部分，它与0 值一一对应为 了测出x 值或0 值，引入一组辅助交流载波信号u s i n t o t 和u c o s t o t ，把它们分别与式 ( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 相乘，则有u u s i n o c o s t o t ，u ，u c o s o s i n t o t ，再将它们相加，并令 u u = u ，可得 u c u js i n o c o s a j t + up jc o s o s i nt o t u s i n 0 c o s t o t + u c o s 0 s i n t o t u s i n ( a , 7 + 0 ) ( 2 8 ) 这是一个随时间而变化的正弦交流信号，初相角是0 ，但口在这里已经从空间信号 参量变为时间信号参量，虽然0 物理含义已经起了变化，但它在数值上仍然等于 2 巧x d 。所以我们用测量交流信号相位差的办法测出数值以后，就可以直接用来表示 光栅位移的大小。这种细分方法细分数较大，精度较高，但是对信号波形及正交性要 求严格，电路比较复杂。 4 锁相倍频细分 原理图如图2 6 所示。图中，五为输入信号频率；正为输出信号频率；v c o 为压 控振荡器。当环路锁定时，鉴相器的输入信号频率五，五完全相同，因此有： 五一五1 厂2 ，故厶为五的n 倍频，实现了n 倍的信号细分。不难看出，这种细分方 法仅适用于动态测量，在静态测量时， 的频率很小，甚至接近直流，那么输入信号 的频率与压控振荡器自由频率之差将超过锁相环路的同步带，环路会失锁，导致细分 失效。为解决静态测量问题，采用一种锁相倍频和载波调制法相结合的细分方法，先 把频率较低的莫尔条纹信号调制到高频，然后锁相倍频，最后再解调、整形、计数。 这种细分方法细分数很大，电路简单，对信号波形无严格要求，但对光栅运动的匀速 性要求很高。 z 图2 6 锁相倍频细分原理 1 1 5 数字化细分法 利用a d 对两路正交信号进行采集，再由微处理器或逻辑电路对采集到的信号进 行运算、查表等处理，得到细分值。这种细分方法电路设计简单，成本低，零频响， 调试容易，高细分数不会引起电路的复杂化；可以充分利用微处理器的智能特点，对 有规律的系统误差进行修正。对信号的质量要求不高，细分倍数可以根据信号质量的 好坏进行适当的调整。 2 5 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具有电 子细分功能的微机数字细分方法，它是将四路带有直流分量的正余弦信号去除直流成 分，得到四路只含交流成分的正余弦信号，一方面经过整形电路送入c p l d 进行四细分 及正逆辨向计数，另一方面将正余弦信号转换成正余切信号，并利用a d 采样进而软 件查表编程方法来实现，最终实现二百细分的技术指标。 本文的关键技术是c p l d 的四细分可逆辨向电路设计和用硬件实现正余弦信号到正 余切信号的转换，以及a d 采样的一些控制以及细分数据的处理。 1 2 第三章光栅莫尔条纹辨向电路的设计 以圆光栅为核心的数字测量系统，已被广泛应用于机床、机器人、几何量精密计 量仪表及自动控制等领域，对生产过程中的质量监控起着重要的作用。由于光栅测量 系统均是增量式的，莫尔条纹的移动量的大小和运动方向与光栅尺的移动量和移动方 向一一对应。当其中的一个光栅不动，另一个光栅向右移动一个栅距时，莫尔条纹向 下移动一个条纹间距；同样，如果指示光栅向左移动一个栅距时，莫尔条纹就向上移 动一个条纹间距。而且，即使在一个栅距内，莫尔条纹的移动量与光栅尺问的相对移 动量也一一对应，由此可以由莫尔条纹的移动情况确切地计算出光栅间的相对移动方 向和大小，所以，光栅运动的辨向技术就成为光栅测量系统必不可少的重要组成部分。 目前，对于增量式编码器已有一些解决的方法，如四倍频细分电路法，d 触发器方 法，或利用r c 移相电路加单稳态多谐振荡器等传统的辨向电路，但都需要加上较多外 围电路和r c 元件。 3 1 传统辨向电路的缺点分析 本论文提到的光栅角位移测量系统中，光栅相对移动所形成的莫尔条纹是经四相 硅光电池进行光电转换，输出四路相差9 0 。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9 0 。) ，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。 为了能够正确的辨向，必须产生两路正交信号砜，和，如图3 1 所示的传统辨 向电路n 阳口刳。这是由经过四相硅光电池得到的四路相位相差分别为9 0 。的电信号，经 过差动运放去直流电路而得到，将在后文中提到。 图3 1 传统辨向电路框图 1 3 砜。和经整形电路输出方波信号阢和u ：，当条纹正向移动时，。相位超前 u o z 兀2 ，则u 超前u ：1 4 周期。q 反向得到阢，u 。和q 经微分电路后得到信号“ 和“。各波形如图3 2 所示，由图3 2 ( a ) 可见，对于与门y 1 ，由于叫处于高电平时以 总处于低电平，因而y 1 输出为o ；而对于与门y 2 ，“处于高电平时u ，也处于高电平， 因而y 2 有信号输出，使触发器输出m 为1 ，可逆计数器做加法计数。同理，当条纹反 向运动时，如图3 2 ( b ) 所示，相位超前u m 万2 ，与正向运动时情况相反，与门y l ， 由于“处于高电平玑也处于高电平，而“处于低电平，因而y 1 有信号输出，y 2 输出 为0 ，因此触发器输出m 为0 ，可逆计数器做减法计数。这样，当莫尔条纹正向移动时， 输入可逆计数器的脉冲数累加。反向移动时，便从累加的脉冲数中减去莫尔条纹反向 移动所产生的脉冲，这样就可以根据计数器显示的计数脉冲的增加和减少来辨别莫尔 条纹的移动方向。 h 0 2 u o l 比2 “1 h l y 1 y 2 c p 比1 ii ll 1| r ? f ； f ： f f rr l? ， r l l 图3 2 传统辨向电路原理图 1 4 ( b ) 由于微分型单稳态触发器电路在每一路方波信号的上升沿时刻产生脉冲，由图3 2 可见，辨向输出电路m 是由砜，信号的过零点处触发得到的。 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r c 时间常数，以产生宽 度较小的脉冲。而如果r c 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，此外，由于电阻和电容的参数较容易受到外界环境的 影响，而且除了电阻、电容外，还需要各种门电路和触发器，由于器件较多，抗干扰 能力较差，因而使得整个电路的稳定性受到影响。 因为传统的辨向电路稳定性和可靠性影响系统的性能，且独立元件过多调试困难， 所以需要寻求一种新型的精确的辨向电路。 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e d a 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e d a 工具，就可以通过设计芯 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。 3 2 辨向电路设计环境概述 在电子设计技术领域，可编程逻辑器件( p l d ) 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、乃至设计观念。在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言h d l 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e d a 工具的帮助下和应用相 应的f p g a c p l d 器件，就可以得到最后的设计结果。 3 2 1c p l d f p g a 的特点及其应用 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和复杂可编程逻辑 器件( c p l d ：c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 同属于近年来发展迅速的大规模 可编程专用集成电路( a s i c ) 。可编程a s i c 器件的使用，使设计的电子产品达到小型 化、集成化和高可靠性，而f p g a 器件的现场可编程技术和c p l d 器件的在系统可编程 技术使可编程器件在使用上更为方便，并大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降 低了设计风险。目前，f p g a 和c p l d 器件在电路设计中应用己十分广泛，己成为电子 系统设计的重要手段。 1 5 用户现场可编程门阵列f p g a 是一种高密度的可编程逻辑器件。自从x i l i n x 公司 1 9 8 5 年推出第一片f p g a 以来，f p g a 的集成密度和性能提高很快，其集成密度最高 达1 0 0 万i 1 片，系统性能可达2 0 0 m h z 。由于f p g a 器件集成度高，方便易用，开发和 上市周期短，在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用，并一度在高密度的可编 程逻辑器件领域中独占鳌头。 c p l d 是由g a l 发展起来的，其主体结构仍是与或阵列，自从9 0 年代初l a t t i c e 公司高性能的具有在系统可编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 功能的c p l d 以来， c p l d 发展迅速。具有i s p 功能的c p l d 器件由于具有同f p b a 器件相似的集成度和易 用性，在速度上还有一定的优势，使其在可编程逻辑器件技术的竞争中与f p g a 并驾 齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展的力量之一。 3 2 2 硬件描述语言( h d l ) 在c p l d 开发中的应用 硬件描述语言( h d l ) 是相对于一般的计算机软件语言如c 、p a s c a l 而言的。h d l 是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连 接方式。设计者可以利用h d l 程序来描述所希望的电子系统，规定其结构特征和电路 的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序变成能控制f p g a 和c p l d 内部结构、 并实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件和下载文件。 v h d l 英文全名为v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称。v h d l 主要用于描述 数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适合于可编程逻辑芯片的应用设计。与其 它的h d l 相比，v h d l 具有更强的行为描述能力。强大的行为描述能力是避开具体的器 件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 v h d l 对于c p l d f p g a 是最常用和流行的硬件描述语言之一。本次设计选用的就是 v h d l 语言。 硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。它的 突出优点有： 1 便于组织大规模系统设计v h d l 提供了从行为级、r t l 级、逻辑门级到最终电路 级和版图参数的多层次描述，整个设计过程都在v h d l 的环境下进行。随着e d a 工具功 能的优化，设计者可以逐步提高设计的层次，而相应的较低层次的v h d l 可由e d a 工具 自动生成，从而提高开发效率。 2 语言的公开可利用性高，v h d l 语言已经成为i e e e 标准得到众多e d a 工具支持。 3 设计与工艺无关v h d l 代码的可移植性和可重用性好，便于设计的复用和继承。 3 2 3c p l d 开发平台m a x + p l u si i 本次设计选用的开发环境为美国a l t e r 公司自动设计开发的e d a 工具m a x + p l u si i ， 1 6 它具有运行速度快、界面统一、功能集中，易学易用等特点。m a x + p l u s i i 提供了原理 图输入、文本输入和波形输入等多种输入手段，并可以任意组合使用。利用该工具所 配备的编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能，可将设计电路图或电路描述程序 变成基本的逻辑单元写入到可编程的芯片中。用户首先对所做项目进行设计，明确设 计目的、设计要求；然后利用原理图输入方式或文本输入方式进行设计输入；输入完 成后，进行编译，若编译过程中发现错误，则检查设计输入，修改错误，直至无错误 发生，编译完成后，就可以进行仿真，检查设计是否达到设计要求，否则还要重新检 查设计输入，仿真结果达到要求后，就可以烧录，把设计程序下载到目的芯片中，最 后把芯片放到实际系统中进行验证、测试。图3 3 给出了用m a x + p l u si i 进行c p l d 开发 的流程，具体操作过程在下一节介绍。 圈 i 一 图3 3m a x p l u s i i 的开发流程 3 2 4c p l d 芯片m a x 7 0 0 0 s 简介 本设计的辨向电路是在a l t e r a 公司的m a x p l u si i 开发环境下采用v h d l 语言进行设 计、编译综合、仿真，采用a l t e r a 公司的c p l d ( m a x 7 0 0 0 ) 系列产品实现，a l t e r a 的c p l d 产品系列包括：f l e x i o k ，f l e x 8 0 0 0 ，f l e x 6 0 0 0 ，m a x 9 0 0 0 ，m a x 7 0 0 0 ，m a x 5 0 0 0 和c l a s s i c ， 产品均采用连续式布线，因此延迟可预测。m a x 7 0 0 0 系列是工业界速度最快的高集成度 电可擦除可编程逻辑器件，器件的编程数据可以永久保存，基于e e p r o m 工艺，乘积项 结构，集成度为6 0 0 5 0 0 0 可用门。m a x 7 0 0 0 s 系列支持在系统可编程( i s p ) ，计算机通 过系统中的c p l d 拥有i s p 接口直接对其进行编程，这种c p l d 的编程方式使用方便改 变了传统的使用专用编程器方法的诸多不便，本次设计采用m a x 7 0 0 0 s 系列的e p m 7 1 2 8 s 芯片。 a l t e r a 的e p m 7 1 2 8 sc p l d 是基于第二代m a x 结构体系的高性能e e p r o m 结构的c p l d 。 完全符合i e e e11 4 9 1j t a g 边界扫描标准，具有5 vi s p 的功能。具有最小5 n s 的引 脚到引脚的逻辑时延，最高可达1 7 5 4 m h z 的计数频率。引脚可配置为开漏输出。每个 宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以节省5 0 的功耗。宏单元内的寄存器具有 单独的时钟和复位等信号，支持多种电压接口。 下面