【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 APP 或 ~1VPP)和方波類 (TTL或長(zhǎng)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(xì)分、硬件計(jì)數(shù)。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分電路可達(dá)到的分辨力越來(lái)越高，同時(shí)成本卻不斷降低，電路細(xì)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(xì)分方法也隨著電子工業(yè)高速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)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(cè)量長(zhǎng)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(cè)量機(jī)、高精度精密加工等領(lǐng)域。 目前國(guó)內(nèi)光柵信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)實(shí)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(shí)用性都不盡如人意，使得光柵細(xì)分系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中難以發(fā)揮應(yīng)有的應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)研制一種可靠實(shí)用的光柵信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)來(lái)提高光柵尺精度是勢(shì)在必行的。本課題中將光柵尺 信號(hào)進(jìn)行了四細(xì)分，使它的精度變成了原來(lái)的四倍。 在實(shí)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(jì)為一個(gè)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(jì)方案往往需要增加較多的可編程計(jì)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(jiǎn)單的基于FPGA 的電路，用 FPGA 來(lái)設(shè)計(jì)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(qiáng)。由于采用的是可編程邏輯器件 ,對(duì)于系統(tǒng)的修改和升級(jí)只需要修改相關(guān)的程序語(yǔ)句即可 ,不用重新設(shè)計(jì)硬件電路和制作印刷電路板 ,使得系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)的便捷性大大提高。 論文主要研究的內(nèi)容 本論文對(duì)基于 FPGA 的光柵尺四細(xì)分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，進(jìn)行了基于 FPGA 的光柵尺四細(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 7 大量的工作：介紹了多種細(xì)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(duì)電路和 Verilog HDL 程序進(jìn)行了仿真，最后還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。 論文的具體內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論。首先 說(shuō)明了課題研究的背景，介紹了光柵尺的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。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(hào)的細(xì)分方案。對(duì)光柵尺的工作原理以及輸出信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)介，闡述了現(xiàn)在應(yīng)用比較多的幾種對(duì)信號(hào)的細(xì)分方法，并且做出了分析，然后根據(jù)實(shí)際情況給出了本課題的設(shè)計(jì)方案。 第三章，四細(xì)分電路設(shè)計(jì)。給出了光柵尺信號(hào)和電路的設(shè)計(jì)要求，并且根據(jù)要求設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)框圖，然后設(shè)計(jì)出了電路，并進(jìn)行了模擬。 第四章，基于 FPGA 的四細(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究。對(duì) EDA 和 FPGA 進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì) Verilog HDL 語(yǔ)言進(jìn)行了簡(jiǎn)介 ，然后基于 FPGA 進(jìn)行了電路的編譯，并且用 FPGA 仿真軟件 QuartusⅡ進(jìn)行了仿真。最后又具體的用光柵尺和 FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shì)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(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 8 第二章 光柵尺信號(hào)細(xì)分方案 光柵尺信號(hào)的形成及特點(diǎn) 光柵尺的工作原理 常見(jiàn)光柵 位移傳感器的工作原理，是一對(duì)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(lái)放置兩光柵尺 并進(jìn)行相對(duì)位移 時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)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(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)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(lái)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(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)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(guó)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(gè)物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺(jué)結(jié)果，當(dāng)人眼無(wú)法分辨這兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，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(duì)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(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 9 W是 光柵柵距通常用每毫米長(zhǎng)度內(nèi)的柵線數(shù) (也稱柵線密度 )來(lái)表示，例如柵線密度為 50線 /mm時(shí)，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(guò)，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(guò)形成暗帶。這就是莫爾條紋。 兩光柵中一塊附著在移動(dòng)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(dòng)，指示光柵固定不變時(shí)，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向近似垂直于光柵的移動(dòng)方向。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔，光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)也隨之改變方向，兩者之間有著對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的位移來(lái)獲取標(biāo)尺光柵的位移量和移動(dòng)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(duì)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(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在刻線方向移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距 W，莫爾條紋也同步移動(dòng)一個(gè)間距 B。固定點(diǎn)上的光強(qiáng)則變化一周。而且在光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)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(shí)） 所以，可利用光柵進(jìn)行高精度直線位移或角位移的測(cè)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(jiàn)。這非常有利于布置接收莫爾條紋信號(hào)的光電器件 [22]。 光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱量進(jìn)行 測(cè) 量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，目前光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng) 兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量。 基于 FPGA 的光柵尺四細(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 10 光柵傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn) 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(jìn)行測(cè)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(hào)經(jīng)電路處理后可得到兩光柵的相對(duì)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(duì)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(cuò)開(kāi) nW+W/4(n 為整數(shù)， W 為長(zhǎng)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(shí)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(shí)形成橫向莫爾條紋 )，用光電器件分別接受裂相光柵四個(gè)部分的投射光，可以得到相位差依次為 ? /2 的四路信號(hào)： 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(hào)的直流電平，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋的平均光強(qiáng)； mU —— 電信號(hào)的幅值，對(duì)應(yīng)與莫爾條紋明暗的最大變化。 這四路電信號(hào)的后續(xù)處理過(guò)程是：首先將 1u 、 3u 和 2u 、 4u 分別兩兩相減，消除信號(hào)中的直流電平，得到兩路相位相差為 90176。的正弦信號(hào) )2sin(2 WxUu ?? (25) )2c os (239。 WxUum ?? (26) 然后將它們 送入專門(mén)的電子細(xì)分和辨向電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。需要說(shuō)明的是，相位差為 90176。的兩路信號(hào)是辨向電路所必須的，單獨(dú)一路信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)辨向。 基于 FPGA 的光柵尺四細(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 11 信號(hào)細(xì)分 信號(hào)細(xì)分的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)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(xì)分電路可達(dá)到的分辨力越來(lái)越高，同時(shí)成本卻不斷降低，電路細(xì)分已經(jīng)成為人們提高儀器分辨力的主要手段之一。 細(xì)分電路按工作原理可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。一般來(lái)說(shuō)，直傳細(xì)分系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平 衡補(bǔ)償系統(tǒng)。但由于直傳系統(tǒng)沒(méi)有反饋比較過(guò)程，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，所以有著廣泛的應(yīng)用。主要細(xì)分技術(shù)有：直接細(xì)分、電橋細(xì)分、電阻鏈分相細(xì)分、微型計(jì)算機(jī)細(xì)分等，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 直接細(xì)分最常見(jiàn)的就是四倍頻細(xì)分。細(xì)分原理是基于兩路方波在一個(gè)周期 內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過(guò)對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，辨向就是根據(jù)兩路方波信號(hào)相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間短。但細(xì)分?jǐn)?shù)較低，對(duì)信號(hào)的相位差要求較高。 電橋細(xì)分是通過(guò)平衡電橋的原理實(shí)現(xiàn)細(xì)分的，這種方法會(huì)消耗光柵信 號(hào)的功率，且細(xì)分?jǐn)?shù)越大，所消耗的功率也越大，同時(shí)電橋細(xì)分對(duì)莫爾條紋信號(hào)的波形、幅值、正交性都有嚴(yán)格的要求，因此電橋細(xì)分一般應(yīng)用在細(xì)分?jǐn)?shù)較小的場(chǎng)合。 電阻鏈分相細(xì)分是應(yīng)用很廣的細(xì)分技術(shù)。其工作原理是：將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻的連接點(diǎn)上可得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。電阻鏈細(xì)分響應(yīng)速度較快，延遲時(shí)間較短，缺點(diǎn)是細(xì)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(xì)分、電橋細(xì)分與電阻鏈分相細(xì) 分電路所用的元器件都為電阻與 運(yùn)放元件，所以響應(yīng)速度較快，原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成倍頻后的方波信號(hào)延遲時(shí)間較 短。但電路比較復(fù)雜，不易得到很高的細(xì)分?jǐn)?shù)，都只能運(yùn)用在細(xì)分?jǐn)?shù)不高的場(chǎng) 合。 與此同時(shí)，各種應(yīng)用高性能數(shù)字器件的細(xì)分方法也隨著電子工業(yè)高速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生，如文獻(xiàn) [23]、 [24]介紹的以 FPGA 為核心的電子細(xì)分系統(tǒng)，文獻(xiàn) [25]、基于 FPGA 的光柵尺四細(xì)分電路設(shè)計(jì)與研究 12 [26]介紹的以 CPLD 為核心的電子細(xì)分系統(tǒng)，文獻(xiàn) [27]、 [28]介紹了應(yīng)用 MCU 的應(yīng)用細(xì)分方法。 主要細(xì)分方法特點(diǎn)及比較 信號(hào)細(xì)分技術(shù)在機(jī)械和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用， 例如對(duì)來(lái)自光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、容柵和激光干涉儀等信號(hào)的細(xì)分。這類信號(hào)的共同特點(diǎn)就是：信號(hào)具有周期性，信號(hào)每變化一個(gè)周期就對(duì)應(yīng)著空間上一個(gè)固定的位移量。測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就要采用細(xì)分技術(shù)。細(xì)分的基本原理是：根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力 [29]。 光柵信號(hào)的細(xì)分方法種類眾多，實(shí)際應(yīng)用較多的有直 接細(xì)分、電阻鏈分相細(xì)分、微型計(jì)算機(jī)細(xì)分，除此之外，主要的細(xì)分方法還有：載波調(diào)制細(xì)分、鎖相倍頻細(xì)分、數(shù)字化細(xì)分、 CCD 細(xì)分、光纖細(xì)分，它們的應(yīng)用范圍由于各自特點(diǎn)的不同也有所區(qū)別。在此將各各細(xì)分方法的基本原理、主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍總結(jié)于下表中。 表 21 細(xì)分方法總結(jié) 分類 細(xì)分方法 基本原理 主要優(yōu)缺點(diǎn) 應(yīng)用范圍 幅值調(diào)制細(xì)分（通過(guò)莫爾條紋信號(hào)的幅度變化判定相位差從而決定位移） 直接細(xì)分 先判斷兩路正交信號(hào)的前后沿，然后進(jìn)行可逆計(jì)數(shù) 電路簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)無(wú)嚴(yán)格要求，細(xì)分?jǐn)?shù)不高 適用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量，應(yīng)用范圍較廣 移相電阻鏈細(xì)分 可分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種，由電阻鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路正交信號(hào)的移相，再鑒幅、整形 細(xì)分?jǐn)?shù)較大，精度較高，對(duì)信號(hào)正交性要求嚴(yán)格，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)增加，電路成比例復(fù)雜化，零點(diǎn)漂移對(duì)細(xì)分精度影響較大 可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)，細(xì)分?jǐn)?shù)為 20 左右時(shí)，優(yōu)點(diǎn)顯著 相位調(diào)制細(xì)分（通過(guò)莫爾條紋信號(hào)的相位差決定載波調(diào)制細(xì)分 用高頻信號(hào)對(duì)莫爾條紋信號(hào)調(diào)制，通過(guò)測(cè)調(diào)制信號(hào)與原高頻信號(hào)的相位差得到莫爾條紋