光柵電子細分電路設計

在分析四倍頻直接細分原理的基礎上，提出利用專用插值晶片(IC—NV)對前端輸出的正交信號進行插值細分的方法；採用SOPC技術和基於NiosII軟核處理器的系統設計方案，在FPGA中設計了二次細分辨向組件和測速組件，並將位移結果和速度值顯示在128×64 LCD上。仿真結果表明，該系統實時性好，可靠性高，誤差小，能夠輕鬆實現高達64倍的細分。
關鍵詞：光柵位移傳感器；莫爾條紋；插值；FPGA；NiosII

1 概述
目前，光柵的電子細分技術是提高光柵位移傳感器解析度的主要途徑，可分為軟體細分法和硬體細分法。軟體細分法雖然可以達到較高的細分數，但由於受到A／D器件轉換精度和轉換時間的限制，一定程度上影響了測量的實時性。硬體細分法一般用在細分數不太高的場合，而且隨著細分數的提高，電路會變得更加複雜。本文使用專用插值晶片(IC—NV)對前端輸出的正交信號進行插值細分，利用FPGA對插值細分後的信號進行二次細分；同時利用QuartusII中的Component Editor工具設計了二次細分辨向組件、測速組件及LCD控制組件，並通過Avalon總線與NiosII軟核處理器進行連接，實現了系統的集成和模塊化。

2 莫爾條紋及四倍頻直接細分的原理
莫爾條紋的電子細分是提高光柵位移傳感器解析度的主要途徑之一。莫爾條紋是光柵位移傳感器工作的基礎。莫爾條紋間距近似為光柵柵距的1／θ倍(θ為主副光柵之間的夾角)，並且方向近似與柵線方向垂直。當其中任一光柵沿垂直於刻線方向移動一個柵距時，莫爾條紋就在柵線方向上移動條紋間距，因此可以通過檢測莫爾條紋的移動來計算指示光柵移動的距離。
對於橫向莫爾條紋，為了判定指示光柵的位移方向進行可逆計數以及削弱直流電平漂移對測量精度的影響，可在一個莫爾條紋內等距放置4個光電收發元件。當條紋依次掃過這4個光電收發元件時，便會產生4路相位分別為O°、90°、180°、270°的信號，通過運放差動放大電路即可實現四細分。但是，實際應用中要實現4個光電收發元件的等距排列是非常困難的。目前，大多數的光柵位移傳感器都採用光閘莫爾條紋來實現四細分，如圖1所示。

光閘式光柵副的指示光柵上刻有4個裂相窗口，各個窗口內柵線與主光柵一致，且相鄰兩個窗口之間依次間隔(n+1／4)d。其中，d為柵距(這裡為20 μm)，n為整數。這樣，當O°窗口的柵線與主光柵完全重疊時，窗口最亮，形成亮帶；180°窗口的柵線與主光柵柵線互相遮擋，形成暗帶；90°和270°窗口的柵線縫隙被遮擋一半，處於半明半暗狀態。因此，當移動指示光柵時，4個窗口內的光強依次呈現周期性的變化。在窗口區域安放光電收發元件對光強進行檢測，便可得到依次相差π／2的4路正弦波信號。

3 光柵信號的產生及差值的實現
3．1 系統總體方案計
系統原理框圖如圖2所示。光電轉換後輸出的4路相差90°的正餘弦電流信號經過2個前置差分放大器處理後，轉換為電壓信號並且消除了直流電平，得到相位相差90°的正交信號sinθ／COSθ。為了消除正交信號中摻雜的噪聲信號，設計了有源二階巴特沃斯低通濾波器。濾波後的信號經過插值專用晶片IC—NV後，便可送入FPGA進行二次細分辨向、測速和數字顯示工作。

3．2 光電轉換及前置放大電路
光電二極體的光電流一般為μA級別，而放大電路中反饋電阻一般採用MΩ量級的電阻。因此，運放的輸入偏置電流的影響不能忽略，要選用輸入偏置電流小的FET輸入型運算放大器。本文選用TI公司的4路LinCMOS運放TLC279CN。它具有輸入失調電壓低、輸入電阻高、噪聲低的特點，25°時的典型輸入偏置電流為60 pA，遠小於光電二極體的光電流。光電二極體可以工作在零偏置或反向偏置方式。在反向偏置方式下，光電二極體可以實現較高的切換速度；但要以犧牲線性為代價，並且在無光條件下仍有很小的電流，稱為「暗電流」。零偏置電路受暗電流的影響較小，對於微小照度，可以保持照度與輸出成線性比例關係。

圖3採用反向並接光電二級管的方式。該方式可以有效地削弱直流電平和偶次諧波。由於後端插值晶片單端輸入時對輸入信號直流電平和峰峰值有限制，因此在正相輸入端設置可變電阻調節輸出的直流電平至2．5 V，同時通過調節反饋電阻使輸出電壓的峰峰值為1 V。
3．3 低通濾波器的設計
由於目前光柵的移動速度多在120 m／min，最大不超過600 m／min，且光柵柵距為20μm時輸出的正交信號的頻率不超過500 kHz。因此，選定低通濾波器的截止頻率為fc=500 kHz，通帶增益K=1。具體設計電路如圖4所示。