光柵電子細分電路設計

1 概述
目前，光柵的電子細分技術是提高光柵位移傳感器分辨率的主要途徑，可分為軟件細分法和硬件細分法。軟件細分法雖然可以達到較高的細分數，但由于受到A／D器件轉換精度和轉換時間的限制，一定程度上影響了測量的實時性。硬件細分法一般用在細分數不太高的場合，而且隨著細分數的提高，電路會變得更加復雜。本文使用專用插值芯片(IC—NV)對前端輸出的正交信號進行插值細分，利用FPGA對插值細分后的信號進行二次細分；同時利用QuartusII中的Component Editor工具設計了二次細分辨向組件、測速組件及LCD控制組件，并通過Avalon總線與NiosII軟核處理器進行連接，實現了系統(tǒng)的集成和模塊化。

2 莫爾條紋及四倍頻直接細分的原理
莫爾條紋的電子細分是提高光柵位移傳感器分辨率的主要途徑之一。莫爾條紋是光柵位移傳感器工作的基礎。莫爾條紋間距近似為光柵柵距的1／θ倍(θ為主副光柵之間的夾角)，并且方向近似與柵線方向垂直。當其中任一光柵沿垂直于刻線方向移動一個柵距時，莫爾條紋就在柵線方向上移動條紋間距，因此可以通過檢測莫爾條紋的移動來計算指示光柵移動的距離。
對于橫向莫爾條紋，為了判定指示光柵的位移方向進行可逆計數以及削弱直流電平漂移對測量精度的影響，可在一個莫爾條紋內等距放置4個光電收發(fā)元件。當條紋依次掃過這4個光電收發(fā)元件時，便會產生4路相位分別為O°、90°、180°、270°的信號，通過運放差動放大電路即可實現四細分。但是，實際應用中要實現4個光電收發(fā)元件的等距排列是非常困難的。目前，大多數的光柵位移傳感器都采用光閘莫爾條紋來實現四細分，如圖1所示。

光閘式光柵副的指示光柵上刻有4個裂相窗口，各個窗口內柵線與主光柵一致，且相鄰兩個窗口之間依次間隔(n+1／4)d。其中，d為柵距(這里為20 μm)，n為整數。這樣，當O°窗口的柵線與主光柵完全重疊時，窗口最亮，形成亮帶；180°窗口的柵線與主光柵柵線互相遮擋，形成暗帶；90°和270°窗口的柵線縫隙被遮擋一半，處于半明半暗狀態(tài)。因此，當移動指示光柵時，4個窗口內的光強依次呈現周期性的變化。在窗口區(qū)域安放光電收發(fā)元件對光強進行檢測，便可得到依次相差π／2的4路正弦波信號。

3 光柵信號的產生及差值的實現
3．1 系統(tǒng)總體方案計
系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。光電轉換后輸出的4路相差90°的正余弦電流信號經過2個前置差分放大器處理后，轉換為電壓信號并且消除了直流電平，得到相位相差90°的正交信號sinθ／COSθ。為了消除正交信號中摻雜的噪聲信號，設計了有源二階巴特沃斯低通濾波器。濾波后的信號經過插值專用芯片IC—NV后，便可送入FPGA進行二次細分辨向、測速和數字顯示工作。

3．2 光電轉換及前置放大電路
光電二極管的光電流一般為μA級別，而放大電路中反饋電阻一般采用MΩ量級的電阻。因此，運放的輸入偏置電流的影響不能忽略，要選用輸入偏置電流小的FET輸入型運算放大器。本文選用TI公司的4路LinCMOS運放TLC279CN。它具有輸入失調電壓低、輸入電阻高、噪聲低的特點，25°時的典型輸入偏置電流為60 pA，遠小于光電二極管的光電流。光電二極管可以工作在零偏置或反向偏置方式。在反向偏置方式下，光電二極管可以實現較高的切換速度；但要以犧牲線性為代價，并且在無光條件下仍有很小的電流，稱為“暗電流”。零偏置電路受暗電流的影響較小，對于微小照度，可以保持照度與輸出成線性比例關系。

圖3采用反向并接光電二級管的方式。該方式可以有效地削弱直流電平和偶次諧波。由于后端插值芯片單端輸入時對輸入信號直流電平和峰峰值有限制，因此在正相輸入端設置可變電阻調節(jié)輸出的直流電平至2．5 V，同時通過調節(jié)反饋電阻使輸出電壓的峰峰值為1 V。
3．3 低通濾波器的設計
由于目前光柵的移動速度多在120 m／min，最大不超過600 m／min，且光柵柵距為20μm時輸出的正交信號的頻率不超過500 kHz。因此，選定低通濾波器的截止頻率為fc=500 kHz，通帶增益K=1。具體設計電路如圖4所示。