光柵電子細(xì)分電路設(shè)計(jì)

1 概述
目前，光柵的電子細(xì)分技術(shù)是提高光柵位移傳感器分辨率的主要途徑，可分為軟件細(xì)分法和硬件細(xì)分法。軟件細(xì)分法雖然可以達(dá)到較高的細(xì)分?jǐn)?shù)，但由于受到A／D器件轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制，一定程度上影響了測(cè)量的實(shí)時(shí)性。硬件細(xì)分法一般用在細(xì)分?jǐn)?shù)不太高的場(chǎng)合，而且隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的提高，電路會(huì)變得更加復(fù)雜。本文使用專用插值芯片(IC—NV)對(duì)前端輸出的正交信號(hào)進(jìn)行插值細(xì)分，利用FPGA對(duì)插值細(xì)分后的信號(hào)進(jìn)行二次細(xì)分；同時(shí)利用QuartusII中的Component Editor工具設(shè)計(jì)了二次細(xì)分辨向組件、測(cè)速組件及LCD控制組件，并通過(guò)Avalon總線與NiosII軟核處理器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成和模塊化。

2 莫爾條紋及四倍頻直接細(xì)分的原理
莫爾條紋的電子細(xì)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(chǔ)。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(dāng)其中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就在柵線方向上移動(dòng)條紋間距，因此可以通過(guò)檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)來(lái)計(jì)算指示光柵移動(dòng)的距離。
對(duì)于橫向莫爾條紋，為了判定指示光柵的位移方向進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)以及削弱直流電平漂移對(duì)測(cè)量精度的影響，可在一個(gè)莫爾條紋內(nèi)等距放置4個(gè)光電收發(fā)元件。當(dāng)條紋依次掃過(guò)這4個(gè)光電收發(fā)元件時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生4路相位分別為O°、90°、180°、270°的信號(hào)，通過(guò)運(yùn)放差動(dòng)放大電路即可實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。但是，實(shí)際應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)4個(gè)光電收發(fā)元件的等距排列是非常困難的。目前，大多數(shù)的光柵位移傳感器都采用光閘莫爾條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，如圖1所示。

光閘式光柵副的指示光柵上刻有4個(gè)裂相窗口，各個(gè)窗口內(nèi)柵線與主光柵一致，且相鄰兩個(gè)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(shù)。這樣，當(dāng)O°窗口的柵線與主光柵完全重疊時(shí)，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(dāng)移動(dòng)指示光柵時(shí)，4個(gè)窗口內(nèi)的光強(qiáng)依次呈現(xiàn)周期性的變化。在窗口區(qū)域安放光電收發(fā)元件對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，便可得到依次相差π／2的4路正弦波信號(hào)。

3 光柵信號(hào)的產(chǎn)生及差值的實(shí)現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)總體方案計(jì)
系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。光電轉(zhuǎn)換后輸出的4路相差90°的正余弦電流信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)前置差分放大器處理后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并且消除了直流電平，得到相位相差90°的正交信號(hào)sinθ／COSθ。為了消除正交信號(hào)中摻雜的噪聲信號(hào)，設(shè)計(jì)了有源二階巴特沃斯低通濾波器。濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)插值專用芯片IC—NV后，便可送入FPGA進(jìn)行二次細(xì)分辨向、測(cè)速和數(shù)字顯示工作。

3．2 光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路
光電二極管的光電流一般為μA級(jí)別，而放大電路中反饋電阻一般采用MΩ量級(jí)的電阻。因此，運(yùn)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(yùn)算放大器。本文選用TI公司的4路LinCMOS運(yùn)放TLC279CN。它具有輸入失調(diào)電壓低、輸入電阻高、噪聲低的特點(diǎn)，25°時(shí)的典型輸入偏置電流為60 pA，遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)較高的切換速度；但要以犧牲線性為代價(jià)，并且在無(wú)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(duì)于微小照度，可以保持照度與輸出成線性比例關(guān)系。

圖3采用反向并接光電二級(jí)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(shí)對(duì)輸入信號(hào)直流電平和峰峰值有限制，因此在正相輸入端設(shè)置可變電阻調(diào)節(jié)輸出的直流電平至2．5 V，同時(shí)通過(guò)調(diào)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(shè)計(jì)
由于目前光柵的移動(dòng)速度多在120 m／min，最大不超過(guò)600 m／min，且光柵柵距為20μm時(shí)輸出的正交信號(hào)的頻率不超過(guò)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(shè)計(jì)電路如圖4所示。