【文章內(nèi)容簡介】 APP 或 ~1VPP)和方波類 (TTL或長線接收 RS422)，可配接各種主流光柵傳感器，系列產(chǎn)品都采用硬件細分、硬件計數(shù)。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，細分電路可達到的分辨力越來越高，同時成本卻不斷降低，電路細分已 經(jīng)成為人們提高儀器分辨力的主要手段之一，各種應(yīng)用高性能數(shù)字器件的細分方法也隨著電子工業(yè)高速發(fā)展而應(yīng)運而生。 論文研究的目的和意義 光柵位移傳感器的精度比較高，它 在大量程測量長度或直線位移方面精度僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?，適用于精密儀器、坐標(biāo)測量機、高精度精密加工等領(lǐng)域。 目前國內(nèi)光柵信號細分系統(tǒng)實際品種較少，而且市面上該類產(chǎn)品的可靠性、兼容性以及實用性都不盡如人意，使得光柵細分系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中難以發(fā)揮應(yīng)有的應(yīng)用。因此設(shè)計研制一種可靠實用的光柵信號細分系統(tǒng)來提高光柵尺精度是勢在必行的。本課題中將光柵尺 信號進行了四細分，使它的精度變成了原來的四倍。 在實際應(yīng)用中，通常采用四倍頻的方法提高精度。一般把四倍頻電路與判向電路設(shè)計為一個整體，稱為四倍頻及判向電路。能夠?qū)崿F(xiàn)四倍頻的電路結(jié)構(gòu)很多，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于某些四倍頻電路的精度或穩(wěn)定性不高，使傳感器整體性能下降 [19]。傳統(tǒng)的設(shè)計方案往往需要增加較多的可編程計數(shù)器，電路元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗增加、穩(wěn)定性下降，因此本文給出了一種結(jié)構(gòu)較為簡單的基于FPGA 的電路，用 FPGA 來設(shè)計使用的器件數(shù)比傳統(tǒng)的電路大大減少，所以功耗也降低，另外由于系統(tǒng)布線大都在芯片內(nèi)部， 因此抗干擾能力更強。由于采用的是可編程邏輯器件 ,對于系統(tǒng)的修改和升級只需要修改相關(guān)的程序語句即可 ,不用重新設(shè)計硬件電路和制作印刷電路板 ,使得系統(tǒng)的升級和維護的便捷性大大提高。 論文主要研究的內(nèi)容 本論文對基于 FPGA 的光柵尺四細分電路的設(shè)計進行了深入的研究，進行了基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 7 大量的工作：介紹了多種細分技術(shù)、電路仿真軟件 、 FPGA 仿真軟件 QuartusⅡ，并且使用這兩種軟件對電路和 Verilog HDL 程序進行了仿真，最后還進行了實驗驗證工作。 論文的具體內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論。首先 說明了課題研究的背景，介紹了光柵尺的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。然后介紹了本文的主要工作和具體安排。 第二章，光柵尺信號的細分方案。對光柵尺的工作原理以及輸出信號的特點進行了簡介，闡述了現(xiàn)在應(yīng)用比較多的幾種對信號的細分方法，并且做出了分析，然后根據(jù)實際情況給出了本課題的設(shè)計方案。 第三章，四細分電路設(shè)計。給出了光柵尺信號和電路的設(shè)計要求，并且根據(jù)要求設(shè)計了結(jié)構(gòu)框圖，然后設(shè)計出了電路，并進行了模擬。 第四章，基于 FPGA 的四細分電路設(shè)計與研究。對 EDA 和 FPGA 進行了簡單介紹，對 Verilog HDL 語言進行了簡介 ，然后基于 FPGA 進行了電路的編譯，并且用 FPGA 仿真軟件 QuartusⅡ進行了仿真。最后又具體的用光柵尺和 FPGA開發(fā)板進行了實驗驗證。 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題研究的背景，光柵尺的發(fā)展現(xiàn)狀就趨勢等等。然后給出了本論文的目的、意義以及研究的內(nèi)容。 基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 8 第二章 光柵尺信號細分方案 光柵尺信號的形成及特點 光柵尺的工作原理 常見光柵 位移傳感器的工作原理，是一對光山中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵） 上的線紋成一角度來放置兩光柵尺 并進行相對位移 時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。 這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。 莫爾條紋是 18世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條 線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果，當(dāng)人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋 [20]。 將柵距相同的兩塊光柵的刻線面相對重疊在一起，并且使二者柵線有很小的交角 ? ，這樣就可以看到在近似垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋， 即 為莫爾條紋 ，如圖 21所示。 圖 21 莫爾條紋 基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 9 W是 光柵柵距通常用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù) (也稱柵線密度 )來表示，例如柵線密度為 50線 /mm時，柵線間距 W= mm。圖中兩光柵的柵線透光 部分與透光部分疊加，光線透過，透光部分形成亮帶；兩光柵透光部分分別與另一光柵的不透光部分疊加，相互遮擋，光線透不過形成暗帶。這就是莫爾條紋。 兩光柵中一塊附著在移動的物體上，稱之為主光柵，另一塊與光電接受器件裝在一起，稱為指示光柵。當(dāng)主光柵沿著垂直于柵線的方向移動，指示光柵固定不變時，莫爾條紋的運動方向近似垂直于光柵的移動方向。光柵每移動一個柵距，莫爾條紋就移動一個條紋間隔，光柵改變運動方向，莫爾條紋的運動也隨之改變方向，兩者之間有著對應(yīng)的運動關(guān)系，可以通過測量莫爾條紋的位移來獲取標(biāo)尺光柵的位移量和移動方向 [21]。莫爾條紋有如下特征： (1) 莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 (2) 在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距 W，莫爾條紋也同步移動一個間距 B。固定點上的光強則變化一周。而且在光柵反向移動時，莫爾條紋移動方向也隨之反向。 (3) 莫爾條紋具有位移放大作用，條紋的間距 B 與兩光柵線紋夾角 ? 之間的關(guān)系為： ??WWB ??2sin2（當(dāng) ? 很小時） 所以，可利用光柵進行高精度直線位移或角位移的測量。明顯看出，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為 ?/1 ，所以盡管柵距很小，難以觀察到，但莫爾條紋卻清晰可見。這非常有利于布置接收莫爾條紋信號的光電器件 [22]。 光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進行 測 量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當(dāng) 兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。 基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 10 光柵傳感器輸出信號的特點 光柵式傳感器的基本工作原理是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行測量的。光柵傳感器一般由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件組成，光電器件接收到的信號經(jīng)電路處理后可得到兩光柵的相對位移。 標(biāo)尺光柵和指示光柵形成莫爾條紋，若指示光柵采用的是裂相光柵，則它由四部分刻線組成，每一部分的刻線間距與對應(yīng)的標(biāo)尺光柵完全相同，但各部 分之間在空間上依次錯開 nW+W/4(n 為整數(shù)， W 為長光柵的柵距或者圓光柵的柵距角 )的距離，指示光柵與標(biāo)尺光柵刻線平行放置，這時它們之間形成光閘莫爾條紋 (也可采用指示光柵與標(biāo)尺光柵刻線間有很小夾角式放置，這時形成橫向莫爾條紋 )，用光電器件分別接受裂相光柵四個部分的投射光，可以得到相位差依次為 ? /2 的四路信號： WxUUum ?2s i n01 ?? (21) )2c os ()22s i n(002 W xUUW xUUu mm ??? ????? (22) )2s i n()2s i n(003 W xUUw xuUu Mm ??? ????? (23) )2c os ()232s i n(004 W xUUw xUUu mm ??? ????? (24) 式中 0U —— 電信號的直流電平，對應(yīng)于莫爾條紋的平均光強； mU —— 電信號的幅值，對應(yīng)與莫爾條紋明暗的最大變化。 這四路電信號的后續(xù)處理過程是：首先將 1u 、 3u 和 2u 、 4u 分別兩兩相減，消除信號中的直流電平，得到兩路相位相差為 90176。的正弦信號 )2sin(2 WxUu ?? (25) )2c os (239。 WxUum ?? (26) 然后將它們 送入專門的電子細分和辨向電路，可以實現(xiàn)對位移的測量。需要說明的是，相位差為 90176。的兩路信號是辨向電路所必須的，單獨一路信號無法實現(xiàn)辨向。 基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 11 信號細分 信號細分的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 信號細分電路又稱插補器，是采用電路的手段對周期性的測量信號進行插值提高儀器分辨力的一種方法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，細分電路可達到的分辨力越來越高，同時成本卻不斷降低，電路細分已經(jīng)成為人們提高儀器分辨力的主要手段之一。 細分電路按工作原理可分為直傳式細分和平衡補償式細分。一般來說，直傳細分系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平 衡補償系統(tǒng)。但由于直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，所以有著廣泛的應(yīng)用。主要細分技術(shù)有：直接細分、電橋細分、電阻鏈分相細分、微型計算機細分等，它們有各自的優(yōu)缺點。 直接細分最常見的就是四倍頻細分。細分原理是基于兩路方波在一個周期 內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊沿的處理實現(xiàn)四細分，辨向就是根據(jù)兩路方波信號相位的相對導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。其優(yōu)點是電路簡單，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)換時間短。但細分?jǐn)?shù)較低，對信號的相位差要求較高。 電橋細分是通過平衡電橋的原理實現(xiàn)細分的，這種方法會消耗光柵信 號的功率，且細分?jǐn)?shù)越大，所消耗的功率也越大，同時電橋細分對莫爾條紋信號的波形、幅值、正交性都有嚴(yán)格的要求，因此電橋細分一般應(yīng)用在細分?jǐn)?shù)較小的場合。 電阻鏈分相細分是應(yīng)用很廣的細分技術(shù)。其工作原理是：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻的連接點上可得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。電阻鏈細分響應(yīng)速度較快，延遲時間較短，缺點是細分?jǐn)?shù)越高，所需的元器件數(shù)目也成比例的增加，使電路變得復(fù)雜。 由于直接細分、電橋細分與電阻鏈分相細 分電路所用的元器件都為電阻與 運放元件，所以響應(yīng)速度較快，原始信號轉(zhuǎn)換成倍頻后的方波信號延遲時間較 短。但電路比較復(fù)雜，不易得到很高的細分?jǐn)?shù)，都只能運用在細分?jǐn)?shù)不高的場 合。 與此同時，各種應(yīng)用高性能數(shù)字器件的細分方法也隨著電子工業(yè)高速發(fā)展而應(yīng)運而生，如文獻 [23]、 [24]介紹的以 FPGA 為核心的電子細分系統(tǒng)，文獻 [25]、基于 FPGA 的光柵尺四細分電路設(shè)計與研究 12 [26]介紹的以 CPLD 為核心的電子細分系統(tǒng)，文獻 [27]、 [28]介紹了應(yīng)用 MCU 的應(yīng)用細分方法。 主要細分方法特點及比較 信號細分技術(shù)在機械和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用， 例如對來自光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、容柵和激光干涉儀等信號的細分。這類信號的共同特點就是：信號具有周期性，信號每變化一個周期就對應(yīng)著空間上一個固定的位移量。測量電路通常采用對信號周期進行計數(shù)的方法實現(xiàn)對位移的測量，若單純對信號的周期進行計數(shù)，則儀器的分辨力就是一個信號周期所對應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就要采用細分技術(shù)。細分的基本原理是：根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力 [29]。 光柵信號的細分方法種類眾多，實際應(yīng)用較多的有直 接細分、電阻鏈分相細分、微型計算機細分，除此之外，主要的細分方法還有：載波調(diào)制細分、鎖相倍頻細分、數(shù)字化細分、 CCD 細分、光纖細分，它們的應(yīng)用范圍由于各自特點的不同也有所區(qū)別。在此將各各細分方法的基本原理、主要優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍總結(jié)于下表中。 表 21 細分方法總結(jié) 分類 細分方法 基本原理 主要優(yōu)缺點 應(yīng)用范圍 幅值調(diào)制細分（通過莫爾條紋信號的幅度變化判定相位差從而決定位移） 直接細分 先判斷兩路正交信號的前后沿，然后進行可逆計數(shù) 電路簡單，對信號無嚴(yán)格要求，細分?jǐn)?shù)不高 適用于動態(tài)和靜態(tài)測量，應(yīng)用范圍較廣 移相電阻鏈細分 可分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種，由電阻鏈實現(xiàn)對兩路正交信號的移相，再鑒幅、整形 細分?jǐn)?shù)較大，精度較高，對信號正交性要求嚴(yán)格，隨著細分?jǐn)?shù)增加，電路成比例復(fù)雜化，零點漂移對細分精度影響較大 可用于動態(tài)和靜態(tài)，細分?jǐn)?shù)為 20 左右時，優(yōu)點顯著 相位調(diào)制細分（通過莫爾條紋信號的相位差決定載波調(diào)制細分 用高頻信號對莫爾條紋信號調(diào)制，通過測調(diào)制信號與原高頻信號的相位差得到莫爾條紋