光栅的电子细分原理和方法

1、§ 7-3 光栅的电子细分一 细分的原理和方法1、原理：在忽略高次谐波的情况下，光电元件输出的电压U和光栅位移x之间的关系为 其中为光栅移动速度，d为栅距，U为电压幅值。 可见：，。 对位相进行n细分，实质上是对测量值x进行n细分。 （特别是，时，即对一个莫尔条纹n细分）2、细分原理分类：（P89表7-3）从波形分析方法入手，分为五类：幅值分割、周期测量、角频率倍增（倍频）、移项、函数变换。（1）幅值分割法，就是对进行非线性分割，得。（2）周期测量法，就是测时间的t，测t得，得x。（3）倍频法，就是增加角频率，用新的周期来反映x。（4）移项法，得一系列相位差的正弦信号，编码，得n倍频

2、。（5）函数法，是变成别的函数n细分。3、方法分类P90表7-4（9种）二、直接的细分法（四倍频法）（一）四相信号的获得。目的：为了消除莫尔条纹信号的直流分量和判向，需要四个相位差的谐波信号：； ；。12343600-sincossin-cos图7-3-1四相信号波形图：1） 阵列光电元件法： 在一个莫尔条纹内均匀放置4个光电探测器，使它们各占条纹宽度的。图7-3-2 四分透镜读数头1聚光镜 2.指示光栅 3.四分透镜 4.狭缝 5.光电二极管图7-3-3 四极硅光电池缺点：每个信号的光强都只有一个条纹光强的。2）裂相指示光栅法n个光电元件，获得n相光电信号 n，k是整数。裂相指示光栅 主光栅

3、 光电探测器相对静止X 1 2 3 4 图7-3-4 裂相指示光栅的布置 （二）四倍频法1、原理框图：数显输出正 反向计 数编码计 数脉 冲形 成四相取样光电信号2、计数电路工作过程运算运算运算运算+-+-+-DG1DG3DG2DG4Sin-SinCos-Cos鉴零器微分t1p12Sin鉴零器微分t3p3-2Sin鉴零器微分t2p22Cos鉴零器微分t4p4-2Cos方波尖脉冲图7-3-5 逻辑图：工作过程： 4个相位差，含直流成份的光电信号，经4个运放差分放大，消去直流。，经鉴零器整形成方波，为编码提供判向信号，（即）。经过微分电路输出尖脉冲，作为编码电路计数信号。3、编码电路工作过程（目的

4、：判向、计数） 逻辑图：触发器p1t1p4t2t3p2t4p3t1p2t2p3t3p4t4p1Q减法脉冲Q+加法脉冲Q主脉冲（送可逆计数器）可逆计数器加减法控制线上控制电位7453、7454（14脚）图7-3-6 编码逻辑表达式：，。 波形图：图7-3-7三、移相电阻链法（移相原理）计数电路移相电路 原理框图：编码电路四sin计数脉冲 路cos 信-sin 号-cos 移相原理：（串联电路、并联电路两种）以串联为例：EBAR1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8uk sin cos -sin -cos图7-3-8F串联电路中、，、构成桥式电路： DAi Ua R1由回路FADE得： Uk

5、 EFUbB R2 由回路FBCE得：图7-3-9C B 联立、式，解得：令：再令：; ，得： ，移相值取决于电阻和之间的比值。例1：用移相电阻链法对光栅莫尔条纹信号8倍电子细分（8倍频），作波形图并写出正、反向逻辑表达式。解：（1）波形图：图7-3-1022222222Q+t为方波p为尖波（2）=3600/8=450 ， 则：R1/ R2=tg= tg450=1 故可取 R1= R2= R3 =R4= R5= R6= R7= R8=10K,电路图如图7-3-8所示。（3）正、反向逻辑表达式为：例2：20 细分方案。解：在00900内，RI/RII分别取：0（），0.3249（），0.7265

6、（），1.3764（），3.078（）。其它三个象限以此类推。并联电路如下：图7-3-11四、用微处理机进行电子细分（一）、工作原理设和为相位差为的两路谐波信号。在测量区域有N个正峰值，被测长度：式中：为不足一个栅距的长度，T为栅距，N为正峰数。 1、的计算：图7-3-12ux0电压平均值： 峰值： 任意点电压值：这种算法是为了消除直流电平变化的影响；第一次算时，必须用到已知条件，。内的相位角 其中还必须换算成中的相位角，根据三角函数性质，在I、II、III、IV图7-3-13ux象限，它们的关系为：I： II： III： IV： 因为： T为栅距连续（无限细分），则连续（无限细分）。精度取决

7、于采样的离散化精度。图7-3-142、移动方向判别阴影部分为中断程序执行中！图7-3-15令3、采样说明单稳输出图7-3-16将第二路信号整形成方波，方波前、后沿分别触发单稳触发器，输出窄脉冲。这两路脉冲经过一个或门合成中断请求信号，加到微处理器“INT”端。中断期间，对进行AD转换（采样），判别是正峰值还是负峰值，同时采样符号（P1.0），判别移动方向，并对正峰值计数（N），向右作加，向左作减，这样完成了周期计数的任务。中断一完，马上进入主程序，读（通过AD转换），算。(二)电原理图U2的符号P1.0=0, U2为负; P1.0=1, U2为正。下跳沿输出2Cos上跳沿输出2Sin（三）程序框图程序执行过程： 开机，读入当前 则有（与相邻正峰间的距离）。 遇到中断信号（正、负峰），则对正峰计数，、的值记下待用。 中断瞬间完成，又回主程序循环算。 循环往复，直至停机，读得的即为测量长度。开 始设初值，清除MN，MUd，MUs输出显示INT（中断程序）压栈，中断开始读Ud（或Us）USUd？UsUdMUs UsMUd Ud左移移动方向？右移MNMN1MNMN1出栈，中断结束返回（三）误差分析对上式求全微分1、光栅尺的标准误差：设栅距误差为，则在使用范围内累积误差2、中断计数误差：采样频率足够，则，可不计。3、AD引起的误