專利名稱：一種莫爾條紋的電子學(xué)細(xì)分裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對(duì)計(jì)量光柵輸出的莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行電子學(xué)細(xì)分裝置的改進(jìn)。
當(dāng)利用電子學(xué)對(duì)莫爾條紋進(jìn)行高倍數(shù)細(xì)分時(shí)，目前常采用的裝置有兩種一、乘法倍頻電路與移相電阻鏈結(jié)合的電子學(xué)細(xì)分裝置。二、單片機(jī)軟件細(xì)分裝置。前者主要由前置放大器1、移相器2、乘法倍頻電路3、功率放大電路4和移相電阻鏈5這五部分組成。如圖1所示，經(jīng)前置放大器1差分放大、移相器2移相后的莫爾條紋信號(hào)在乘法倍頻電路3中倍頻，再由移相電阻鏈5細(xì)分即可得到二倍頻六十四細(xì)分的莫爾條紋信號(hào)波形。
此細(xì)分裝置的缺點(diǎn)是1、由于電阻阻值不準(zhǔn)確(或不匹配)，降低了對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分的精度。2、經(jīng)電阻鏈移相后的信號(hào)幅度衰減引起細(xì)分誤差。3、電阻鏈上各電阻受到前后級(jí)輸出和輸入阻抗的影響降低了細(xì)分精度。4、后級(jí)整形電路隨電阻鏈細(xì)分份數(shù)的增加而增加，因此使得整個(gè)細(xì)分電路龐雜，不利于提高細(xì)分份數(shù)。
單片機(jī)軟件細(xì)分裝置由前置放大器1、采樣／保持電路2、模擬開(kāi)關(guān)3、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器4、單片機(jī)處理系統(tǒng)5五部分組成。其電路如圖2所示。經(jīng)差分放大后的兩路正交莫爾條紋信號(hào)，由單片機(jī)控制采樣／保持器對(duì)其進(jìn)行采樣，并由軟件控制多路開(kāi)關(guān)分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)兩路正交莫爾條紋信號(hào)的幅度與相位的確定關(guān)系，計(jì)算出細(xì)分常數(shù)(即某一相角對(duì)應(yīng)的細(xì)分值)，并輸出細(xì)分代碼。單片機(jī)細(xì)分裝置由于具有工作可靠、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前已普遍被人們所采用，但由于受到A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)的限制及量化誤差的影響使單片機(jī)細(xì)分位數(shù)不能過(guò)高。此外，原始信號(hào)質(zhì)量不好也會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的細(xì)分精度。這樣在某些需要對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行高精度、高分辨率細(xì)分的場(chǎng)合，單片機(jī)細(xì)分裝置仍不能滿足要求。
綜合以上兩種細(xì)分裝置的優(yōu)點(diǎn)，并剔除其不足之處，本實(shí)用新型要實(shí)現(xiàn)的主要目的是提供一種莫爾條紋的電子學(xué)細(xì)分裝置以解決電阻鏈細(xì)分電路復(fù)雜、精度不高的問(wèn)題，改善原始莫爾條紋信號(hào)的質(zhì)量，獲得較高的細(xì)分份數(shù)，進(jìn)而提高計(jì)量光柵系統(tǒng)的精度和分辨率。
本實(shí)用新型如圖3所示，它包括前置放大器1、移相器2、乘法倍頻電路3、功率放大電路4、采樣／保持器5、多路開(kāi)關(guān)6、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7和單片機(jī)處理系統(tǒng)8。前置放大器1中的運(yùn)算放大器F1、F2、F3的輸出端a、c、e與移相器2的三個(gè)輸入端相連，移相器2的移相輸出結(jié)點(diǎn)b、d與乘法倍頻電路3中的乘法器X2的輸入端連接，前置放大器1中的運(yùn)算放大器F1、F2的輸出端a、c與乘法倍頻電路3中的乘法器X1的輸入端連接，乘法倍頻電路3的兩個(gè)輸出端接功率放大電路4的兩個(gè)輸入端，功率放大電路4的兩個(gè)輸出端分別接采樣／保持器5中兩個(gè)采樣／保持器的輸入端，采樣／保持器5的輸出端接多路開(kāi)關(guān)6的輸入端，多路開(kāi)關(guān)6的輸出端與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸入端相連，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸出最后同單片機(jī)處理系統(tǒng)8中的三態(tài)門的輸入端相連。
本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程四相交變的莫爾條紋信號(hào)Sinθ、Cosθ、-Sinθ、-Cosθ，經(jīng)前置放大器1中的運(yùn)算放大器F1、F2差分放大以后，即增加了幅度，又可以消除共模量及偶次諧波的影響。四個(gè)相等的電阻R1、R2、R3、R4組成移相器2，在電阻結(jié)點(diǎn)上分別輸出被移相π／4的信號(hào)Asin(θ+π／4)、Bcos(θ+π／4)。前置放大器1中的運(yùn)算放大器F3相當(dāng)于倒相器，因移相需要而設(shè)置。乘法倍頻電路3由兩片四象限模擬乘法器X1、X2及其外部匹配電路組成，它把差分放大后的原始信號(hào)ASinθ，Bcosθ及移相后的信號(hào)Asin(θ+π/4)、Bcos(θ+π／4)，兩兩相乘，得到一組正交的二倍頻莫爾條紋信號(hào)Asin2θ、Bcos2θ。功率放大電路中的運(yùn)算放大器F4、F5用來(lái)抑制乘法倍頻電路3中乘法器X1、X2輸出的共模量，并提供后級(jí)細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)功率。倍頻后的兩相莫爾條紋信號(hào)送入采樣／保持器5。單片機(jī)處理系統(tǒng)8控制發(fā)出采樣脈沖，使采樣／保持器5的兩路采樣／保持器同時(shí)進(jìn)行采樣，并保持所采集的Asin2θ、Bcos2θ的瞬時(shí)值，由軟件控制多路開(kāi)關(guān)6分別選擇一路采樣／保持器的輸出進(jìn)行A／D變換，就把兩相倍頻信號(hào)Asin2θ、Bcos2θ在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值變?yōu)閿?shù)字量輸送給單片機(jī)處理系統(tǒng)8，單片機(jī)處理系統(tǒng)8根據(jù)Asin2θ、Bcos2θ的正負(fù)判定象限，并根據(jù)其幅值與相位的確定關(guān)系計(jì)算出細(xì)分常數(shù)，輸出數(shù)值為n細(xì)分的代碼(n為一個(gè)莫爾條紋周期內(nèi)所含的細(xì)分份數(shù))。
本實(shí)用新型的積極效果1、把乘法倍頻電路同單片機(jī)細(xì)分電路結(jié)合到一起，形成了一個(gè)新的電子學(xué)細(xì)分裝置，解決了電阻鏈細(xì)分電路復(fù)雜的問(wèn)題，使得電路簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)。利用單片機(jī)處理系統(tǒng)細(xì)分的一大優(yōu)勢(shì)就使其工作可靠、調(diào)試方便，尤其是使電子學(xué)細(xì)分電路得到了簡(jiǎn)化，不會(huì)因?yàn)榧?xì)分份數(shù)的增加而使硬件電路變得復(fù)雜。另外，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅用一片四象限模擬乘法器及若干電阻即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋原始信號(hào)的一次倍頻。若要獲得2n倍頻信號(hào)，僅用n級(jí)二倍頻電路即可實(shí)現(xiàn)，也節(jié)省了莫爾條紋電子學(xué)細(xì)分電路的空間。2、乘法倍頻電路同單片機(jī)處理系統(tǒng)軟件細(xì)分相結(jié)合，可以大大提高莫爾條紋的細(xì)分份數(shù)，提高計(jì)量光柵檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率及讀數(shù)精度。采用N次倍頻的乘法倍頻電路及2n細(xì)分的單片機(jī)處理系統(tǒng)細(xì)分電路，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋信號(hào)的2N+n細(xì)分，這是以往的電子學(xué)細(xì)分裝置所無(wú)法比擬的。3、由于乘法倍頻技術(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)，解決了原始莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量較差的問(wèn)題，同時(shí)提高了后級(jí)單片機(jī)細(xì)分的精度，使得本實(shí)用新型具有以下積極效果①乘法倍頻技術(shù)可以減少計(jì)量光柵輸出信號(hào)不正交和幅度不等這兩種誤差中所含恒定部分的影響，改善了倍頻后信號(hào)波形的質(zhì)量，從而減少了原始信號(hào)不理想對(duì)細(xì)分精度的影響，提高了整個(gè)系統(tǒng)的細(xì)分精度。②乘法倍頻技術(shù)使細(xì)分誤差封閉在1／N的莫爾條紋周期內(nèi)，并且使倍頻后信號(hào)波形的過(guò)零點(diǎn)斜率增大，這將減小后級(jí)單片機(jī)細(xì)分所帶來(lái)的量化誤差。③當(dāng)原始信號(hào)是正弦波時(shí)，倍頻后的信號(hào)仍保持正弦波形，在原理上不會(huì)因倍頻處理而使倍頻后的信號(hào)附加新的高次諧波，較大地放寬了對(duì)線性電路帶寬的要求，可用于運(yùn)動(dòng)速度較高的計(jì)量光柵檢測(cè)裝置中。
本實(shí)用新型的
圖1是已有技術(shù)二倍頻六十四細(xì)分電路原理圖
圖2是已有技術(shù)單片機(jī)細(xì)分電路原理圖圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電路原理圖本實(shí)用新型的實(shí)施例如圖3所示前置放大器1中采用三個(gè)運(yùn)算放大器OP37對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行差分放大，移相器2由四個(gè)相等的電阻R1、R2、R3、R4組成，阻值范圍為2-10KΩ，乘法倍頻電路3由兩個(gè)四象限模擬乘法器AD533組成，功率放大電路4采用一片四運(yùn)放集成放大器LM124對(duì)乘法倍頻電路輸出的兩相倍頻信號(hào)進(jìn)行放大，采樣／保持器5采用AD582，多路開(kāi)關(guān)6采用AD7501，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7采用八位A／D轉(zhuǎn)換器AD570，單片機(jī)處理系統(tǒng)8由單片機(jī)80C39，程序存儲(chǔ)器2764，鎖存器74HC373及三態(tài)門緩沖器74HC244組成。
以二十三位絕對(duì)式光電軸角編碼器的電子學(xué)細(xì)分電路即單片機(jī)細(xì)分電路為基礎(chǔ)，采用新的電子學(xué)細(xì)分裝置，首先把原始莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行乘法四倍頻，再用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件29細(xì)分，就可以最終實(shí)現(xiàn)29+2=211細(xì)分。若采用一周最密刻線為214的碼盤，經(jīng)上述211細(xì)分后，光電軸角編碼器將具有25位(0．04秒)的分辨率。
權(quán)利要求1.一種莫爾條紋的電子學(xué)細(xì)分裝置，它包括有前置放大器1、移相器2、乘法倍頻電路3、功率放大電路4、采樣／保持器5、多路開(kāi)關(guān)6、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7、單片機(jī)處理系統(tǒng)8，其特征在于移相器2的移相輸出結(jié)點(diǎn)b、d與乘法倍頻電路3中的乘法器X2的輸入端連接，前置放大器1中的運(yùn)算放大器F1、F2的輸出端a、c與乘法倍頻電路3中的乘法器X1的輸入端連接，乘法倍頻電路3的兩個(gè)輸出端接功率放大電路4的兩個(gè)輸入端，功率放大電路4的兩個(gè)輸出端分別接采樣／保持器5中兩個(gè)采樣／保持器的輸入端。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種對(duì)計(jì)量光柵輸出的莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行電子學(xué)細(xì)分裝置的改進(jìn)。它包括前置放大器、移相器、乘法倍頻電路、功率放大電路、采樣/保持器、多路開(kāi)關(guān)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)。乘法倍頻電路同單片機(jī)軟件細(xì)分電路結(jié)合,使得電路簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn),提高莫爾條紋的細(xì)分份數(shù),提高計(jì)量光柵檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率及讀數(shù)精度。改善倍頻后信號(hào)波形的質(zhì)量,減少原始信號(hào)對(duì)細(xì)分精度的影響,提高細(xì)分精度。
文檔編號(hào)G02B27/44GK2413301SQ0020246
公開(kāi)日2001年1月3日 申請(qǐng)日期2000年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月21日
發(fā)明者熊經(jīng)武, 萬(wàn)秋華, 董莉莉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所