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15基于EPM7128的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计

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   由于光栅位移传感器的输出极易数字化 , 无需 A/ D

转换 ,特别适合静态和动态情况下的实时测量和大位移 测量 ,因此广泛应用于各类精密的自动控制系统中作为 速度测量 、 空间位置测量的敏感元件 。光栅位移传感器 是基于莫尔条纹现象来测量的 ,要想提高测量分辨率 ,对

光栅输出信号进行细分处理是必要的环节 , 目前有多种 提高光栅分辨率的细分方法 , 分硬件法和软件法 。软件 时性 ,应用不是十分广泛 。硬件法 , 如电阻链细分 , 空间 细分 ,锁相倍频等应用比较广泛 ,但目前多数场合下是将 法一般需要较长时间的运算处理 , 影响了测量系统的实

细分电路与单片机结合进行测量并直接显示结果 , 细分 数偏低 。由于硬件电路没有集成化 , 细分数提高就必须 增加电路逻辑器件数量 ,这样不仅增加了仪器的体积 ,而 且不易修改和调试 。另外 , 仅仅显示测量结果往往不能 一个重要发展方向 ,易于实现反馈控制 、 及时检测产品的 合格性等等 。因此将细分电路进行集成模块化设计是非 常必要的 。 本文 基 于 逻 辑 运 算 功 能 强 大 的 可 编 程 逻 辑 器 件

满足要求 ,利用计算机在线采集数据已成为工业控制的

EPM7128 对电阻链五细分后的信号进行了二次细分 ,并

将细分 、 、 、 辨向 计数 锁存和接口功能集于一身 ,完整地实

现了集成性和模块化 , 使用方便灵活 。通过在大量程绝 对测距系统中的应用表明 : 本文设计的细分电路精度高 ,
1  光栅位移传感器读数提取及模块组成框图

实时性好 ,通过改变逻辑电路还可以满足多种细分要求 。 本系统采用北京超精细工程研究所生产的 J GX 系

列密封式光栅线位移传感器 ,其光栅栅距达 0. 02mm ,测 模块组成框图如图 1 所示 。

量重复性到 1~2 个分辨率 ,输出两路相差 90° 的正弦波 。 首先利用低功耗/ 高精度的仪用放大器 AD620 分别

对两路输入信号进行放大整形 , 实验中发现传感器输出

  闫丽等 : 基于 EPM7128 的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计                            λ ?  

基于 EPM7128 的光栅位移传感器信号细分电路模块的设计
Design of a Subdivision Module f or Grati ng Displ acement Sensor Signal B ased on E P M 7128

闫    丽 段发阶   方志强

( 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 ,天津 300072)

摘   : 针对光栅位移传感器输出信号设计了一种通用可行的细分模块 ,将电阻链细分和逻辑电路细分结合 ,由一片 CPLD 芯片 要

EPM7128 实现二次细分 、 辨向 、 、 计数 锁存和接口设计 ,CPLD 与计算机之间的数据传输基于增强并行口 ( EPP) 协议 , 能够实现在线数据

   采集 。在大量程光纤绝对测距系统中应用表明 : 该设计可完全满足精度要求 。 关键词 : 光栅位移传感器 ; 细分 ; 辨向 ; EPM7128

的交变信号带有 3 ~ 4 伏的直流电* , 故需要进行调零 。 将整形之后的一路信号反相 , 形成三路相位差依次相差 90 度的正弦波信号 ,为后面的电阻链细分做准备 。由于 电阻链细分原理比较简单 ,本文不加以叙述 。 2  基于 EPM7128 设计的四细分辨向与 EPP 逻辑接口 电路 EPM7128 是 AL TERA 公 司 的 MAX7000 系 列 产 品 ,具有高阻抗 、 电可擦 、 在系统编程等特点 ,可用门单元 为 2500 个 , 管脚间最大延迟为 5ns , 工作电压为 + 5V 。 CPLD 内部逻辑电路主要分为四部分 : 异或门逻辑组合 、 二次细分与辨向 、 计数与锁存和 EPP 接口电路 。仿真* 台采用的是 AL TERA 公司的 MAX + PL U SII 。 2. 1   异或门逻辑组合电路

图1  细分电路模块组成框图

图2  异或门逻辑组合电路

通过移相电阻链将正弦信号的相位依次移动 18° , 然后通过比较器 L M339 进行过零比较 ,得到十路相位依 次差 18° 的方波信号 ,分成两组 ( 每组中信号相位依次相 差 36o ) ,分别经过两两异或组合逻辑将一个正弦波周期

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划分为五个方波周期 ,实现了五细分 ,得到两路正交方波 信号 A 和 B 。异或门逻辑组合如图 2 所示 ,可以看出 ,由 五路信号组合得到了一路信号 A 。用类似的方法将其余 五路信号组合即可得到与 A 正交的信号 B 。为后面的二 次细分和辨向做准备 。 3. 2   二次细分与辨向 本文设计了逻辑四细分与辨向 , 如图 3 所示 。采用

1M 晶振产生全局时钟 CL K ,主要运用 D 触发器和与非

门组合得到信号 add 和 minus 。辨向原理 : 假设 A 超前 于 B 时代表工作台朝某一方向移动 ,反之 ,当 A 滞后于 B 时表示工作台朝相反方向移动时 。当 A 超前于 B 时 , add 端会输出计数脉冲 , minus 保持高电* , 使计数器进 行加计数 , 当 A 滞后于 B 时 ,add 保持高电* , minus 端 输出计数脉冲 ,使计数器进行减计数 。

2. 3   计数与锁存

计数时钟 ,根据 add 和 minus 计数脉冲进行加减计数 ,将

其进位 、 借位输出分别与下一级计数器加 、 减计数时钟相 扩展 。大量程绝对测距系统导轨长度为 200mm ,光栅栅

连 ,直接形成级连 ,无需外接电路 , 十分便于计数位数的

距为 0. 02mm ,经过 20 细分后 , 当扫描工作台作全程扫 描时 , 可能产生的计数脉冲数最多为 : N = 200/ ( 0. 02/
20) = 2 × 5 < 220 ,为了保证计数器记录下所有的脉冲 , 10

采用 5 片 74193 级连 。计数器的计数值经过锁存器锁存 后由并口读入计算机进行处理 。
2. 4  EPP 接口逻辑

计数器进行清零 ,本文设计的细分模块可同时适应硬件 清零和软件清零两种方式 。外界可以通过输入一个正脉 冲 ( 即零位信号) 对计数器进行硬件清零 , 也可以通过并 口的 DB16 状态位输出复位信号 RESET 对计数器进行

清零 。工作过程为 : 工作台移动时 , 计数器开始进行计 数 ,当外界定位信号 ( 也就是数据采集信号) 到来时 ,同步 锁存电路产生锁存信号 ,锁存器锁存计数值 ,同时此锁存

《计量与测试技术》 2005 年第 32 卷第 3 期  ?                                      υ  
图4  模块逻辑接口图 图3  四细分与辨向

信号输入并口的 DB10 ( 中断申请 ) , 启动 EPP 写地址周 期 ,经过地址锁存 、 译码 ,依次选通由低位到高位锁存器 , 启动 EPP 读数据周期 ,读取相应数据 。设读取的脉冲数 为 n , 光栅栅距为 ω, 电路总细分数为 x , 则扫描导轨移 ω 动位移由下式计算得到 : s = n / x 整个逻辑仿真结果如 图 5 所示 。

计数器选用四位可逆计数器 74193 ,具有加 、 减两个

图5  CPLD 内部逻辑电路仿真结果

3  实际应用
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9

表1  十次重复测量所得的数据
dataM 207 207 207 207 207 207 207 207 207 207 dataL 38 35 37 38 35 35 37 37 36 36

dataH 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

位移 S( mm)
118. 566 118. 563 118. 565 118. 566 118. 563 118. 563 118. 565 118. 565 118. 564 118. 564

模块逻辑接口如图 4 所示 。开始工作时 , 首先要对

10

   大量程光纤绝对测距系统主要由定位干涉仪系统和 ( 下转第 23 页)

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双层板 。 ( 2) 芯片管脚间的引线弯折越少越好 ,需要转折可用
45° 折线或圆弧

转折 。管脚间的引线越短越好 。 ( 3) 电路器件管脚间的引线层间交替越少越好 。要 层面的*行走线几乎无法避免 ,但是在相邻的两个层 ,走 线的方向务必取为相互垂直 。 ( 4) 每个芯片的附*要设置一个高频退耦电容 。 5  实验测试 分别把改进前 、 后的两个振荡电路放入屏蔽盒中 ,测

注意信号线*距离*行走线所引入的 “交叉干扰” 同一 ,

量电 路 的 短 期 频 率 稳 定 度 , 振 荡 频 率 为 4M Hz , 上 电 60min 后对输出信号的频率进行定时采样 , 采样间隔时 间为 1min ,测量时间为 240min ,实验结果如图 8 、 9 所示。 图

定度可达 10 ×103 Hz/ h , 约为改进前*均稳定度 110 × 103 Hz/ h 的十几倍 。

( 上接第 20 页) 扫描测量系统构成 ,分别完成对目标的定

位过程和对零位信号与定位信号之间扫描棱镜位移的测 量过程 。光栅位移传感器是扫描测量系统的关键部件 , 应用本文设计的光栅细分模块对此光栅输出信号进行细 分 ,由定位干涉仪系统输出的定位信号控制计算机并口

实时采集扫描工作台移动过程中细分电路模块产生的脉 冲数 , 并计算得到高 、 、 三 位 数 据 , 分 别 用 data H 、 中 低 dataM 、 dataL 表示 ,栅距 ω = 0. 02mm ,细分数 m = 20 ,则 位移计算表达式为 : s = ( data H 3 216 + dataM 3 2 8 + dataL ) ω/ m 表 1 中列出了对同一目标进行十次测量所记录的扫 描工作台的移动距离 , 位移*均值 s = 118. 5644mm , 可 μ 以看出最大测量误差为 1. 6 m 。 4  结论 本文针对光栅位移传感器在测量系统中的广泛应 用 ,设计了一套对传感器输出信号进行细分和采集的电 路模块 , 其突出优点是采用可编程逻辑器件 EPM7128 实现了逻辑电路细分 , 使设计的电路板既小巧又易重复

  杜红等 : 无晶振振荡器的频率稳定度的研究                                     ? ξ  

( 1) 为了降低噪声干扰要使用多层板 ,在这里用的是

图9  改进后电路的频率稳定曲线

6  结论 ( 1) 以方波发生器为例分析了频率稳定性对高精度

测量电路的影响 ,对稳频技术进行了详细研究 。 ( 2) 在上述研究分析的基础上 ,提出了一种改进型具 有高稳定度的方波发生器 , 通过实验证实了所研究电路 的有效性 。并制成实用化的电路模块 , 该模块具有互换 性 ,可在不增加成本的前提下 ,提高精度指标 。
参考文献
[ 1 ] 黄秉应 ,肖明耀 , 马凤鸣 . 时间频率的精确测量 . [ M ] 北京 ; 中国计 [ 2 ] 曾兴雯 ,刘乃安 ,陈建 . 高频电路原理与分析 . [ M ] 西安 : 西安电子 [ 3 ] 刘明亮编 . 振荡器的原理和应用 . 北京 : 高等教育出版社 ,1983. 9. [4 ]解月珍 ,谢沅清编著. 通信电子电路. 北京 :机械工业出版社 ,2003. 2.

量出版社 ,1986.

科技大学出版社 ,2001.

图8  改进前电路的频率稳定曲线

从图可见 ,实验结果表明改进后电路频率的*均稳

作者简介 : 杜红 ,女 ,研究生 。主要研究方向 : 抗冲击高频振荡器 。工作单 位 : 中北大学电子工程系智能一教研室 。通讯地址 : 030051 山西省太原 市。 聂景峰 ,中北大学 ( 太原 030051) 。

收稿时间 :2005 - 02 - 01

编程修改 ,具备很强的通用性 。实验证明 : 应用该细分模 块很容易达到测量系统的精度要求 。
参考文献
[ 1 ] 颜国正 ,许广赓 ,张德骏 . 光栅位移传感器细分技术的新方法 [J ] . [ 2 ] 梁海峰 ,严一心 . 基于光栅传感器位移测量的软 、 硬件设计 [J ] . 现 [ 3 ] 彭志龙 ,岳永坚 . 一种硬件细分方法的研究与应用 [J ] . 测控技术与 [ 4 ] 钟明 . 大量程光纤绝对测距仪研究 [ D ] . 天津大学 ,2004.

吉林工业大学学报 ,1995 ,25 (1) :96~100. 代电子技术 ,2003 , (23) :88~89. 设备 ,2003 ,29 (4) :30~31.

[5 ] 张国雄 . 三坐标测量机 [ M ] . 天津 : 天津大学出版社 ,1999 ,147 ~ [ 6 ] 徐志军 ,徐光辉 . CPLD/ FP GA 的开发与应用 [ M ] . 北京 : 电子工业

151.

出版社 ,2002.

作者简介 : 闫丽 ,女 ,现就读于天津大学精仪学院攻读硕士学位 , 主要从事 光电技术 、 视觉检测方面的研究 。工作单位 : 天津大学精密测试技术及仪 器国家重点实验室 。通讯地址 :300072 天津大学精仪学院 262 信箱 。 段发阶 、 方志强 ,天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 ( 天津
300072) 。

收稿时间 :2005 - 01 - 31

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