專利名稱：一種莫爾條紋的電子學(xué)細分裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對計量光柵輸出的莫爾條紋信號進行電子學(xué)細分裝置的改進。
當(dāng)利用電子學(xué)對莫爾條紋進行高倍數(shù)細分時，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)細分裝置。二、單片機軟件細分裝置。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在乘法倍頻電路3中倍頻，再由移相電阻鏈5細分即可得到二倍頻六十四細分的莫爾條紋信號波形。
此細分裝置的缺點是1、由于電阻阻值不準(zhǔn)確(或不匹配)，降低了對莫爾條紋進行細分的精度。2、經(jīng)電阻鏈移相后的信號幅度衰減引起細分誤差。3、電阻鏈上各電阻受到前后級輸出和輸入阻抗的影響降低了細分精度。4、后級整形電路隨電阻鏈細分份數(shù)的增加而增加，因此使得整個細分電路龐雜，不利于提高細分份數(shù)。
單片機軟件細分裝置由前置放大器1、采樣／保持電路2、模擬開關(guān)3、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器4、單片機處理系統(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，由單片機控制采樣／保持器對其進行采樣，并由軟件控制多路開關(guān)分別對兩路信號進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字量送給單片機進行處理，單片機根據(jù)兩路正交莫爾條紋信號的幅度與相位的確定關(guān)系，計算出細分常數(shù)(即某一相角對應(yīng)的細分值)，并輸出細分代碼。單片機細分裝置由于具有工作可靠、電路簡單等優(yōu)點，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細分位數(shù)不能過高。此外，原始信號質(zhì)量不好也會降低整個系統(tǒng)的細分精度。這樣在某些需要對莫爾條紋信號進行高精度、高分辨率細分的場合，單片機細分裝置仍不能滿足要求。
綜合以上兩種細分裝置的優(yōu)點，并剔除其不足之處，本實用新型要實現(xiàn)的主要目的是提供一種莫爾條紋的電子學(xué)細分裝置以解決電阻鏈細分電路復(fù)雜、精度不高的問題，改善原始莫爾條紋信號的質(zhì)量，獲得較高的細分份數(shù)，進而提高計量光柵系統(tǒng)的精度和分辨率。
本實用新型如圖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、多路開關(guān)6、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7和單片機處理系統(tǒng)8。前置放大器1中的運算放大器F1、F2、F3的輸出端a、c、e與移相器2的三個輸入端相連，移相器2的移相輸出結(jié)點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的兩個輸出端接功率放大電路4的兩個輸入端，功率放大電路4的兩個輸出端分別接采樣／保持器5中兩個采樣／保持器的輸入端，采樣／保持器5的輸出端接多路開關(guān)6的輸入端，多路開關(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處理系統(tǒng)8中的三態(tài)門的輸入端相連。
本實用新型的動態(tài)工作過程四相交變的莫爾條紋信號Sinθ、Cosθ、-Sinθ、-Cosθ，經(jīng)前置放大器1中的運算放大器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。四個相等的電阻R1、R2、R3、R4組成移相器2，在電阻結(jié)點上分別輸出被移相π／4的信號Asin(θ+π／4)、Bcos(θ+π／4)。前置放大器1中的運算放大器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ASinθ，Bcosθ及移相后的信號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Asin2θ、Bcos2θ。功率放大電路中的運算放大器F4、F5用來抑制乘法倍頻電路3中乘法器X1、X2輸出的共模量，并提供后級細分電路的驅(qū)動功率。倍頻后的兩相莫爾條紋信號送入采樣／保持器5。單片機處理系統(tǒng)8控制發(fā)出采樣脈沖，使采樣／保持器5的兩路采樣／保持器同時進行采樣，并保持所采集的Asin2θ、Bcos2θ的瞬時值，由軟件控制多路開關(guān)6分別選擇一路采樣／保持器的輸出進行A／D變換，就把兩相倍頻信號Asin2θ、Bcos2θ在采樣時刻的瞬時值變?yōu)閿?shù)字量輸送給單片機處理系統(tǒng)8，單片機處理系統(tǒng)8根據(jù)Asin2θ、Bcos2θ的正負判定象限，并根據(jù)其幅值與相位的確定關(guān)系計算出細分常數(shù)，輸出數(shù)值為n細分的代碼(n為一個莫爾條紋周期內(nèi)所含的細分份數(shù))。
本實用新型的積極效果1、把乘法倍頻電路同單片機細分電路結(jié)合到一起，形成了一個新的電子學(xué)細分裝置，解決了電阻鏈細分電路復(fù)雜的問題，使得電路簡單、成本低廉、易于實現(xiàn)。利用單片機處理系統(tǒng)細分的一大優(yōu)勢就使其工作可靠、調(diào)試方便，尤其是使電子學(xué)細分電路得到了簡化，不會因為細分份數(shù)的增加而使硬件電路變得復(fù)雜。另外，經(jīng)實驗驗證，僅用一片四象限模擬乘法器及若干電阻即可以實現(xiàn)對莫爾條紋原始信號的一次倍頻。若要獲得2n倍頻信號，僅用n級二倍頻電路即可實現(xiàn)，也節(jié)省了莫爾條紋電子學(xué)細分電路的空間。2、乘法倍頻電路同單片機處理系統(tǒng)軟件細分相結(jié)合，可以大大提高莫爾條紋的細分份數(shù)，提高計量光柵檢測系統(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細分的單片機處理系統(tǒng)細分電路，就可以實現(xiàn)對莫爾條紋信號的2N+n細分，這是以往的電子學(xué)細分裝置所無法比擬的。3、由于乘法倍頻技術(shù)固有的優(yōu)點，解決了原始莫爾條紋信號質(zhì)量較差的問題，同時提高了后級單片機細分的精度，使得本實用新型具有以下積極效果①乘法倍頻技術(shù)可以減少計量光柵輸出信號不正交和幅度不等這兩種誤差中所含恒定部分的影響，改善了倍頻后信號波形的質(zhì)量，從而減少了原始信號不理想對細分精度的影響，提高了整個系統(tǒng)的細分精度。②乘法倍頻技術(shù)使細分誤差封閉在1／N的莫爾條紋周期內(nèi)，并且使倍頻后信號波形的過零點斜率增大，這將減小后級單片機細分所帶來的量化誤差。③當(dāng)原始信號是正弦波時，倍頻后的信號仍保持正弦波形，在原理上不會因倍頻處理而使倍頻后的信號附加新的高次諧波，較大地放寬了對線性電路帶寬的要求，可用于運動速度較高的計量光柵檢測裝置中。
本實用新型的
圖1是已有技術(shù)二倍頻六十四細分電路原理圖
圖2是已有技術(shù)單片機細分電路原理圖圖3是本發(fā)明一個實施例的電路原理圖本實用新型的實施例如圖3所示前置放大器1中采用三個運算放大器OP37對原始信號進行差分放大，移相器2由四個相等的電阻R1、R2、R3、R4組成，阻值范圍為2-10KΩ，乘法倍頻電路3由兩個四象限模擬乘法器AD533組成，功率放大電路4采用一片四運放集成放大器LM124對乘法倍頻電路輸出的兩相倍頻信號進行放大，采樣／保持器5采用AD582，多路開關(guān)6采用AD7501，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7采用八位A／D轉(zhuǎn)換器AD570，單片機處理系統(tǒng)8由單片機80C39，程序存儲器2764，鎖存器74HC373及三態(tài)門緩沖器74HC244組成。
以二十三位絕對式光電軸角編碼器的電子學(xué)細分電路即單片機細分電路為基礎(chǔ)，采用新的電子學(xué)細分裝置，首先把原始莫爾條紋信號進行乘法四倍頻，再用單片機實現(xiàn)軟件29細分，就可以最終實現(xiàn)29+2=211細分。若采用一周最密刻線為214的碼盤，經(jīng)上述211細分后，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、多路開關(guān)6、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器7、單片機處理系統(tǒng)8，其特征在于移相器2的移相輸出結(jié)點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的兩個輸出端接功率放大電路4的兩個輸入端，功率放大電路4的兩個輸出端分別接采樣／保持器5中兩個采樣／保持器的輸入端。
專利摘要本實用新型屬于光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種對計量光柵輸出的莫爾條紋信號進行電子學(xué)細分裝置的改進。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、多路開關(guān)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機。乘法倍頻電路同單片機軟件細分電路結(jié)合,使得電路簡單、成本低廉、易于實現(xiàn),提高莫爾條紋的細分份數(shù),提高計量光柵檢測系統(tǒng)的分辨率及讀數(shù)精度。改善倍頻后信號波形的質(zhì)量,減少原始信號對細分精度的影響,提高細分精度。
文檔編號G02B27/44GK2413301SQ0020246
公開日2001年1月3日 申請日期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, 萬秋華, 董莉莉 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所