光柵信號直流電平的自動校正

王驍　程志遠(yuǎn)　李婕　趙世芳　譚曉明　蒲忠勝

摘 要： 在圓光柵作為分度基準(zhǔn)的高精度測量儀器中，測量信號的穩(wěn)定性直接影響到最終的測量精度。針對實(shí)際光柵信號不穩(wěn)定性產(chǎn)生直流電平漂移的情況，在電子細(xì)分的基礎(chǔ)上，采用了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)時校正直流電平的方法，解決了實(shí)際光柵信號的直流電平漂移影響處理器計(jì)數(shù)的問題，降低了測量誤差。此方法主要由軟件編程來實(shí)現(xiàn)，硬件電路設(shè)計(jì)簡單，電路的復(fù)雜程度低，有利于提高測量精度。

關(guān)鍵詞： 光柵； 直流電平； 漂移； A/D和D/A轉(zhuǎn)換器； 校正

中圖分類號： TN911.7?34； TB96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0067?03

0 引 言

光柵作為一種精密的測量工具，廣泛應(yīng)用于精密儀器、坐標(biāo)測量、精確定位、高精度加工等領(lǐng)域[1]。光柵測量技術(shù)是集光、機(jī)、電于一體的數(shù)字位移傳感技術(shù)，它采用光電轉(zhuǎn)換可將機(jī)械位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號輸出[2]。圓光柵測角系統(tǒng)中，光柵度盤的標(biāo)尺光柵和指示光柵組成光柵副，而測角系統(tǒng)就是以光柵副發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的明暗相間的莫爾條紋為基礎(chǔ)的。明暗相間的莫爾條紋隨著光柵的移動會產(chǎn)生類似于正弦信號的光強(qiáng)變化，對此信號進(jìn)行一系列的處理，即可獲得光柵的相對移動量[3?5]。然而在實(shí)際的測量中受工藝和成本的限制，由光柵信號產(chǎn)生的正弦信號往往會發(fā)生直流漂移，這會給測量精度帶來較大誤差。消除信號中直流電平的方法很多，比如機(jī)械式調(diào)整法，包括調(diào)整硅光電池的受光面積，改變推廣電池和光源的相對位置等[6]。很多設(shè)計(jì)中采用差分放大電路來消除信號中的直流分量[7?8]。此外，文獻(xiàn)[2]中還提到在調(diào)理電路中設(shè)置高通濾波器來濾除直流分量。本文就此問題利用A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，對源光柵信號的直流漂移進(jìn)行實(shí)時校正，并將校正后的電平作為比較器的基準(zhǔn)電壓，使比較器輸出更加精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)信號。此方法避免了繁雜的調(diào)節(jié)，并且不會增加硬件電路的復(fù)雜程度，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，對提高光柵的測量精度具有非常重要的實(shí)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光柵計(jì)量系統(tǒng)由光柵光學(xué)系統(tǒng)信號采集電路和信號處理電路兩部分組成，其基本工作原理是：被測光柵盤和基準(zhǔn)光柵盤每轉(zhuǎn)過一條柵線，它們各自都會產(chǎn)生一個完整的正弦（余弦）信號，經(jīng)過差分、放大、整形，送到控制器進(jìn)一步處理，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

當(dāng)指示光柵相對于標(biāo)尺光柵發(fā)生位移時，會產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋，把光電傳感器放在不同位置可以得到相位相差90°的正余弦信號，正余弦信號分別用作計(jì)數(shù)信號和辨向信號。假設(shè)正弦信號作為計(jì)數(shù)信號，余弦信號作為辨向信號，當(dāng)余弦超前正弦90°時光柵計(jì)數(shù)器做累加計(jì)算，當(dāng)余弦滯后正弦90°時光柵計(jì)數(shù)器做累減運(yùn)算，這兩路信號經(jīng)過比較器整形成方波，送給處理器細(xì)分、計(jì)數(shù)和辨向，正余弦信號如圖2所示。

比較器整形是提取正余弦的直流分量作為基準(zhǔn)比較電壓，實(shí)際上由于制造工藝，機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光路穩(wěn)定性等各種原因，光柵信號的直流電平經(jīng)常發(fā)生偏移，如果不及時測量直流分量，系統(tǒng)的測量精度就會大大降低。針對這種情況，本設(shè)計(jì)在電路中加入了直流電平校正模塊，通過處理器計(jì)算獲得信號的直流電平，并將此電平由D/A反饋給比較器作為比較器的基準(zhǔn)比較電壓，使比較器輸出更準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)信號。加入校正模塊能有效避免計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生延時和遺漏的情況，這樣就基本解決了直流電平漂移影響處理器計(jì)數(shù)的問題。

信號送到處理器后，需要經(jīng)過一系列處理，其中重要的一環(huán)就是對類似于正弦波的電信號進(jìn)行細(xì)分。細(xì)分方法可分為光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分三大類，光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分是通過硬件來實(shí)現(xiàn)的，提高細(xì)分精度會使硬件電路變得更加復(fù)雜。而電子學(xué)細(xì)分可利用軟件編程實(shí)現(xiàn)，大大降低了硬件電路的復(fù)雜程度，并且具有讀數(shù)快、精度高，易于實(shí)現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理過程的自動化等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[9?10]。本文采用了電子細(xì)分的方法對比較器輸出的信號進(jìn)行細(xì)分。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中的處理器選用含有內(nèi)置D/A和A/D的SMTM32F103。STM32擁有先進(jìn)的性能，基于集成嵌入式FLASH和SRAM存儲器的ARM Cortex?M3內(nèi)核，和8/16位設(shè)備相比，ARM Cortex?M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率，在高性能的同時擁有低功耗和大集成度等優(yōu)點(diǎn)。

硬件電路設(shè)計(jì)原理：光源發(fā)出光，當(dāng)度盤相對指示光柵發(fā)生轉(zhuǎn)動時，透過大小光柵的光產(chǎn)生明暗交替的變化，各個位置的光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，單個電信號接近正、余弦信號。為了防止直流電平對后級電路的影響，同時為了增大正、余弦信號的共模抑制比，將它們接入差分放大電路，并設(shè)置合適的參數(shù)將信號放大到合適的范圍。此時將信號分為兩路，一路送往比較器，而另一路送到處理器的A/D口，由處理器計(jì)算信號的直流電平，并判斷直流電平是否需要校正，如果需要校正則由D/A端口將校正后的直流電平送到比較器的另一端，作為比較器的基準(zhǔn)比較電壓。與通用的固定基準(zhǔn)電壓的比較器相比，這種方法可以實(shí)時地檢測正、余弦信號的直流電平變化，并且根據(jù)直流電平的變化實(shí)時調(diào)整比較器的基準(zhǔn)電壓，這樣比較器的基準(zhǔn)電壓就不會因?yàn)樾盘栔绷麟娖狡贫艿教蟮挠绊?，因此比較器能輸出更加精準(zhǔn)的信號，此時再將信號輸入到處理器的A/D口，交給處理器處理，硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對信號的采樣、直流電平校正、辨向、計(jì)數(shù)進(jìn)行處理。處理過程如下：經(jīng)過處理后的sin、cos信號，分為兩路，一路經(jīng)過同相回差比較器后，將正、余弦信號整形成方波信號，方波信號送至STM32進(jìn)行計(jì)數(shù)與辨向處理；另一路送到STM32內(nèi)置A/D引腳，實(shí)時檢測正弦、余弦信號的電壓值并計(jì)算直流電平，根據(jù)電壓值與直流電平的變化調(diào)整軟件細(xì)分參數(shù)以及整形電路的觸發(fā)電平。當(dāng)檢測到直流信號與上次測得的值有變化時，STM32就會通過自帶的D/A實(shí)時地調(diào)整比較器的參考比較電壓，自動校正正、余弦信號的過零點(diǎn)。

程序中的兩個中斷處理。一個用來計(jì)算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數(shù)周長計(jì)數(shù)器的加減。另一個用來計(jì)算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計(jì)數(shù)方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細(xì)分和顯示任務(wù)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計(jì)數(shù)之前，處理器會對信號的直流電平進(jìn)行實(shí)時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準(zhǔn)電平，使比較器輸出更精準(zhǔn)的信號。如果不進(jìn)行比較器基準(zhǔn)電平的校正，比較器就會因?yàn)榛鶞?zhǔn)電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計(jì)數(shù)。假設(shè)在測角過程中，比較器基準(zhǔn)電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發(fā)生相應(yīng)的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發(fā)生的時間被提前，導(dǎo)致計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計(jì)數(shù)脈沖則會延遲產(chǎn)生，若這個時間便停止測角，由于計(jì)數(shù)脈沖被延遲，處理器便會將這個計(jì)數(shù)脈沖遺漏，造成了計(jì)數(shù)誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導(dǎo)致信號幅值一直比比較器的基準(zhǔn)電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，造成了處理器計(jì)數(shù)的遺漏，產(chǎn)生了計(jì)數(shù)誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用電子學(xué)細(xì)分，利用軟件編程對信號進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)，硬件電路設(shè)計(jì)十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎(chǔ)上，硬件電路中對信號的直流電平實(shí)時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計(jì)數(shù)誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹向群，黃維實(shí)，金彤.光柵計(jì)量技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學(xué)細(xì)分技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數(shù)字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學(xué)技術(shù)，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細(xì)分技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細(xì)分技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].工具技術(shù)，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細(xì)分技術(shù)的研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2009.

程序中的兩個中斷處理。一個用來計(jì)算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數(shù)周長計(jì)數(shù)器的加減。另一個用來計(jì)算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計(jì)數(shù)方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細(xì)分和顯示任務(wù)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計(jì)數(shù)之前，處理器會對信號的直流電平進(jìn)行實(shí)時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準(zhǔn)電平，使比較器輸出更精準(zhǔn)的信號。如果不進(jìn)行比較器基準(zhǔn)電平的校正，比較器就會因?yàn)榛鶞?zhǔn)電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計(jì)數(shù)。假設(shè)在測角過程中，比較器基準(zhǔn)電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發(fā)生相應(yīng)的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發(fā)生的時間被提前，導(dǎo)致計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計(jì)數(shù)脈沖則會延遲產(chǎn)生，若這個時間便停止測角，由于計(jì)數(shù)脈沖被延遲，處理器便會將這個計(jì)數(shù)脈沖遺漏，造成了計(jì)數(shù)誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導(dǎo)致信號幅值一直比比較器的基準(zhǔn)電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，造成了處理器計(jì)數(shù)的遺漏，產(chǎn)生了計(jì)數(shù)誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用電子學(xué)細(xì)分，利用軟件編程對信號進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)，硬件電路設(shè)計(jì)十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎(chǔ)上，硬件電路中對信號的直流電平實(shí)時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計(jì)數(shù)誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹向群，黃維實(shí)，金彤.光柵計(jì)量技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學(xué)細(xì)分技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數(shù)字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學(xué)技術(shù)，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細(xì)分技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細(xì)分技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].工具技術(shù)，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細(xì)分技術(shù)的研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2009.

程序中的兩個中斷處理。一個用來計(jì)算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數(shù)周長計(jì)數(shù)器的加減。另一個用來計(jì)算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計(jì)數(shù)方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細(xì)分和顯示任務(wù)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計(jì)數(shù)之前，處理器會對信號的直流電平進(jìn)行實(shí)時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準(zhǔn)電平，使比較器輸出更精準(zhǔn)的信號。如果不進(jìn)行比較器基準(zhǔn)電平的校正，比較器就會因?yàn)榛鶞?zhǔn)電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計(jì)數(shù)。假設(shè)在測角過程中，比較器基準(zhǔn)電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發(fā)生相應(yīng)的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發(fā)生的時間被提前，導(dǎo)致計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計(jì)數(shù)脈沖則會延遲產(chǎn)生，若這個時間便停止測角，由于計(jì)數(shù)脈沖被延遲，處理器便會將這個計(jì)數(shù)脈沖遺漏，造成了計(jì)數(shù)誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導(dǎo)致信號幅值一直比比較器的基準(zhǔn)電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，造成了處理器計(jì)數(shù)的遺漏，產(chǎn)生了計(jì)數(shù)誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用電子學(xué)細(xì)分，利用軟件編程對信號進(jìn)行辨向和計(jì)數(shù)，硬件電路設(shè)計(jì)十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎(chǔ)上，硬件電路中對信號的直流電平實(shí)時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計(jì)數(shù)誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹向群，黃維實(shí)，金彤.光柵計(jì)量技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學(xué)細(xì)分技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數(shù)字細(xì)分技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數(shù)字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學(xué)技術(shù)，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細(xì)分技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細(xì)分技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細(xì)分技術(shù)及其誤差分析[J].工具技術(shù)，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細(xì)分技術(shù)的研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2009.