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W基于CPLD芯片的光栅信号细分模块的设计_电阻链五细分+CPLD计数

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测量与设备

基于 ! # 芯片的光栅信号细分模块的设计 ! "$
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 %"& ) ""’
摘 要 针对光栅位移传感器信号设计了一种全新的硬件细分模块, 在模拟细分基础上由一片 ( * 芯片实 )+ 现二次细分、 辨向、 计数、 锁存和接口设计, 可与计算机之间基于增强并行口 , )协议进行在线数据传输, 该设计已 ) 经应用于大量程光纤绝对测距系统中。 关键词 光栅位移传感器; 细分; 辨向;) + (*

" 引言
目前, 各类精密的自动控制系统, 数控机床、 坐 标测量机等广泛采用光栅位移传感器作为速度测 量、 空间位置测量的敏感元件, 由于光栅位移传感器 的输出极易数字化, 无需 - + 转换, / 节省 - + 转换 / 时间及器件响应时间, 故特别适合静态和动态情况 下的实时测量和大位移测量。光栅位移传感器是基 于莫尔条纹现象来测量的, 如果不在后续电路上采 用提高测量精度的环节或措施, 而直接采用计数器 对莫尔条纹的移动数进行计数, 则光栅位移传感器 的分 辨 力 即 为 一 个 光 栅 栅 距, 般 为 ’ ! 或 一 ". 这样的分辨力是不能满足精度要求的, #! , " . 显然, 因此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传感器分辨力的细分方 法, 包括硬件法和软件法。软件法一般需要较长时 间的运算处理, 影响了测量系统的实时性, 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。另外, 由于硬件电路没有采取集成化, 细分 数提高就意味着增加电路逻辑器件数量, 这样不仅 增加仪器的体积, 而且不易修改和调试。特别是在 需要在线测量和控制的场合下, 灵活小巧的高精度 的细分模块的设计成为一种必需。 本文的设计方案是将电阻链细分和逻辑电路细 分相结合, 其中逻辑部分几乎完全由一片 ( * 芯 )+ 片实现, 将细分、 辨向、 计数、 锁存和接口功能集于一
( """$ !国家自然科学基金资助项目 !"!# )

身, 总细分数达到 ’ , " 完整地实现了集成性和模块 化。另外, 为了满足在线数据采集的要求, 设计采用 增强并行口协议 , ) , 0/3 113 7 ) )( /124)56 5 实现 66) 8 由 /3 ; ( * 与计算机之间的并行数据传输, 98 :2 . )+ 6 7 和 </ 0 公 司 发 起 制 定 的 , ) 协 议 及 以 后 的 3; 8 ) 9 , #= 标准极大地改善了 ) 机并口的数据传 , , ’$ ( 输能力, 使得利用并口数据传输率达到了接*标准 其传输速率可以达到 ) 机内部 9 - 总线的能力, ( > ’ @B ? A 。该细分模块目前已经应用于国家自然科学 基金 资 助 研 制 成 功 的 大 量 程 光 纤 绝 对 测 距 系 统中。

# 模块组成与工作原理
光栅传感器信号细分模块由放大整形电路、 电 阻链细分和 ( * 细分电路 % 部分组成, 外部输入 )+ 信号包括传感器输出位移信号、 控制定位部分输出 的定位锁存信号和光栅零位信号, 输出信号 (即传感 器测得的位移信号) 通过 , ) 接口输入计算机。组 ) 成结构如图#所示。 实验中采用北京超精细工程研究所生产的C : D 系列 密 封 式 光 栅 线 位 移 传 感 器, 光 栅 栅 距 达 其 即 "" "" . , 量 重 复 性 到 #"’ 个 分 辨 力, ’ E . 测 ’ 相当于正弦和余 $! , " . 输出两路相差FG " 的正弦波, 弦信号。模块接收这两路信号, 分别通过仪用放大 器 - H"进行整形放大, 将整形之后的正弦信号进 +’ 行一次反相, 形成三路相位差依次相差 FG " 的正弦 波, 为电阻链细分做准备。 移相电阻的移相原理如图’所示, 通过选取精密 电阻 I 和 I 的值就可以实现正弦信号相位的移动。 # ’
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计量技术’"J 7 " 万方数据 "! K #

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图! 细分模块组成框图

!! 二次细分与辨向 A 运用逻辑组合电路或者单稳触发电路原则上可 以实现多种细分数, 另外, 考虑到扫描工作台在移动 过程中可能会出现振动、 爬行的等情况, 加入辨向电 路才能更准确地记录扫描工作台的移动情况。本文 根据测距系统要求设计了逻辑四细分与辨向, 使总
图" 移相电阻

设输入信号为: !#"%! ! #" (! ! $ # " ’$# & 则输出信号为: )# "% ! *#) ! " $( # &

的模块的细分数达到" , ) 逻辑电路和仿真结果分别 如图1 和图 B 所示: 采用 ! 0 晶振产生全局时钟 ) 4 C, / 假设 % 超前于& 时代表指示光栅朝某一方向 移动, 那么, % 滞后于& 时就代表指示光栅朝相 当 反方向移动。当时钟脉冲 4 C 到来时, ! ’ 随 ’ 、1 / 因此 ’ 、 1的波形分别与 & !’ 6 端输入 %、 而变化, 、 相同, 只是其上下沿为 4 C 所同步。同理, 时 %& / 钟信号 4 C 到来时, " ’ 的波形随其 6 端输入 ’ 、B / 这样 ’ 、 B 分别较 ’ 、 1 滞后 ’ 、 1而变化, !’ "’ !’ 一个时钟脉冲, 靠异或门形成窄脉冲 ( 、 &, % ( 脉宽 等于时钟脉冲周期。为了实现辨向, 运用真值表法, 将四路信号 ’ 、 % 、 1 ( 进行适当的逻辑运算 !( ’ 、& 得到两路输出脉冲: 加计数脉冲 ,D和减计数脉冲 D E&$ 即当 % 超前于& 时, D 为计数脉冲,%F %F , ,D E&$ 保持低电*, 使可逆计数器进行加计数, 反之, % 当 滞后于& 时, D保持低电*,%F 为计数脉冲, 使 , D E&$ 可逆计数器进行减计数。 !" 计数与锁存 A 计数器选用四位可逆计数器 <!1 具有加、 减 B2 , 两个计数时钟, 根据 ,D 和 E&$计数脉冲进行加 D %F 减计数, 将其进位、 借位输出分别与下一级计数器 加、 减计数时钟相连, 直接形成级连, 无需外接电路, 十分便于计数位数的扩展, 记录脉冲数据通过锁存 器输出。 !1 7 5 接口逻辑 A 5 图=表示的是整个模块的逻辑接口关系。开始 工作时, 首先要对计数器进行清零, 本文设计的细分
计量技术")A ( ) )= G !

$ 其中"#! !*$" +& #$! # 为移相角 ,# $" $!*$" 设计由此移相电阻组成的电阻链将整形后的正
弦信 号 的 相 位 依 次 移 动 !. 然 后 通 过 比 较 器 -, 得到十路相位依次差 !. / 12进行过零比较, 01 -的 方波 信 号, 成 两 组 分 (每 组 中 信 号 相 位 依 次 相 差 1. , 3 )分别经过两两异或组合逻辑将一个正弦波周 期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, 记为 % 和&。 在众多场合下, 五细分并不能满足测量精度要 求, 这就需要在此细分基础上能够对 %、 两路信 & 号再次进行细分, 而且最好能够使二次细分的细分 数按照不同的要求可以随意改变, 基于可编程逻辑 器件的在系统重复编程的特点, 4 / 内部实现 在 56 的逻辑细分电路可以灵活的实现这一目标。 异或门 4 / 内部逻辑电路主要分为四部分: 56 逻辑组合、 二次细分与辨向、 计数与锁存和 7 5 接 5 口 逻 辑。 4 / 芯 片 选 用 8 9 : 公 司 的 56 /78 系 列 产 品 7 0 !- 具 有 高 阻 抗、 可 , 电 08 <) ; )) 5 <" 擦、 在系统编程等特点, 可用门单元为") 个, 管脚 =) 间最大延迟为 =$ 工作电压为 *= 。仿真*台采 &, > 用的是 8 9 : 公司的 08 下面分 /78 ;*5 ? / @!, 别介绍逻辑电路的具体功能实现, 其中异或门组合 逻辑比较简单, 不必详述。
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图! 四细分与辨向

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 # % 状态位输出 $& 复位信号 ’ ) * 对计数器进行清零。工作台移动 (( 时, 计数器进行计数, 当外界定位信号到来时, 同步锁 存电路产生锁存信号, 锁存器锁存计数值, 同时此锁 存信号输入并口的 # % (中断申请)启动 ( , 写地 , $+ , 址周期, 经过地址锁存、 译码, 依次选通低位到高位锁 存器, 启动 ( ,读数据周期, 读取相应数据。 ,
图" 仿真结果

设读取的脉冲数为 !; 光栅栅距为 " ; 电路总 则扫描导轨移动位移由下式计算得到: 细分数为 #;

图- 模块逻辑接口图 计量技术.+/ 1 + 万方数据 +- 0 % ?2 ?

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后选取测量的起始位置, 手工将光栅计数锁存器清 零, 并记录下双频激光干涉仪的初始读数。光栅移 动到目标点后, 通过计算机采集锁存器读数, 记录激 光干涉仪的最后读数, 比较二者读数之间的差值。 表)为光栅位移精度对比实验数据。根据机械行业 《光栅线位移测量系统》 标准, 记 , / */ % 00 - .)** )0 录的数据与理论值的差值为该点的示值误差, 去有 效长度范围误差的一半冠以 1 ” “ 即为系统的精度, 可见, 本光栅测量系统的精度为!!1 2 ( % ) [ % "] / " !1 ! 。 /+

" 精度对比实验
在大量程光纤绝对测距仪中, 光栅位移传感器 的读数直接累加到测量结果中, 因此其精度直接影 响整个系统的精度, 需要对光栅精度进行测量和比 对。实验中采用 # $%&" ( 型双频激光干涉仪进 &’ 行对比, 为了测量光栅整个量程的位移精度, 取光栅 尺间隔) + 的" 个测量点, 为避免光栅零位误差 * + * 引入测量中, 不使用光栅本身的零位, 而是光栅零位 表!
误差! ! ) % ( + " ) 5

光栅位移精度对比实验数据

位移量 + ) ) " / 2 & 3 4 ’ 0 )* )* )* )* )* )* )* )* )* )* "* ( + * * * * * * * * * * ) " / 2 & 3 4 ’ 0 * * % ) * * ) ) " " % ) * * ) " ) " ) / 2

/ 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 6 7 $8 实现了逻辑电路细分, 使设计的电路板既小巧又易重 复编程修改, 具备很强的通用性和实用性。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
[ ]钟明9大量程光纤绝对测距仪研究9天津大学博士记文, * 9 ) " 2 * [ ]徐志军, 徐光辉9 $ 8 : ; 的开发与应用9北京: 电子工业 " 67/$ ( 出版社, * 9 " " * [ ]梁海峰, 严一心9基于光栅传感器位移测量的软、 硬件设计9现 / 代电子技术, * , " ) ’ ’ 9 " /( / : " 0 * ’ [ ]彭志龙, 岳永坚9一种硬件细分方法的研究与应用9测控技术与 2 设备, * , ( ) * / 9 " /" 2 : " ) * 0 /

微波元件复反射系数测量数据评估及实现
史晓新 王英玫 丁国文

(山东建筑工程学院, 济南 "** ) &))
摘 要 分析了多状态反射计系统的性质, 并根据状态圆的位置关系, 构建了数据评估参数, 以有效评判测量

数据和系统性能。同时借助由双魔 . 和两晶体检波器构建的测试系统, 使用计算机进行数据处理, 能够快捷地进 行实际测试和数据评判。 关键词 复反射系数; 晶体检波器; 多状态反射计; . 魔

* 引言
[ " 在现代微波测量技术中, 六端口反射计 ),]是

度测量代替相位测量, 极大地降低对微波元件精度 的要求等。*年来, 仅仅使用两个晶体检波器的多
[ 2 状态反射计 /,] 备受各国科研人员的关注; 它具有

基于功率计的一种能够准确测量微波元件复反射系 数的有效工具。它能够在保持宽频带、 高精度和自
[ 动化的前提下直接采用任意的微波网络 "] 并用幅 ,

电路设计简单、 成本低廉和易于自动测量等优点。 而往往借助于网络分析仪等测量设备来评判实际测 量数据, 使得该项工作繁琐甚至因测量设备昂贵而
计量技术"*< > * *& = )

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