圓光柵測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)細(xì)分電路設(shè)計(jì)

于 耕，馬曉梅，郭華鵬

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

圓光柵測(cè)角系統(tǒng)是一種精密的測(cè)角系統(tǒng)，主要應(yīng)用在雷達(dá)、航空、自動(dòng)化儀表、精密儀器、機(jī)器人等領(lǐng)域，具有體積小、測(cè)量范圍大、精度高等特點(diǎn)。圓光柵碼盤(pán)是現(xiàn)代精密圓光柵測(cè)角系統(tǒng)中，廣泛使用的一種角度傳感器，它是以光柵相對(duì)位移所形成的莫爾條紋信號(hào)為基礎(chǔ)，由于光柵的相對(duì)移動(dòng)，使透射光的光強(qiáng)度呈周期性變化，這種光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電變換形成周期性變化的電信號(hào)（正余弦波信號(hào)），對(duì)此信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后，即可獲得光柵的相對(duì)移動(dòng)量。在測(cè)量精度不高的情況下，只需對(duì)此信號(hào)變化的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可求得光柵的相對(duì)移動(dòng)量。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，僅對(duì)此信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)無(wú)法滿足航空航天、機(jī)器人控制等領(lǐng)域精確測(cè)量的需要。當(dāng)前工程上希望在盡可能小的誤差范圍內(nèi)精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)圓光柵測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)字化細(xì)分。文中正是基于此目的設(shè)計(jì)了含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰4個(gè)軸系的角度位置的圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)闡述了圓光柵測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了圓光柵測(cè)角信號(hào)移相電阻鏈細(xì)分電路，將測(cè)得的原始的光柵正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用廣泛。

1 圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)

文中設(shè)計(jì)的圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰共四個(gè)圓光柵傳感器，它們被用來(lái)測(cè)量4個(gè)軸系的角度位置。圓光柵傳感器的光柵信號(hào)經(jīng)細(xì)分計(jì)數(shù)電路板細(xì)分和計(jì)數(shù)后，以16 bits的總線方式輸出。

如圖1所示，四路圓光柵測(cè)角系統(tǒng)中大俯仰、小方位、小俯仰還在光柵傳感器上制作了正、反向光電限位開(kāi)關(guān)。

圖1 4路圓光柵測(cè)角系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of the four ways of gratings angle measuring system

4個(gè)圓光柵傳感器的正余弦波光柵信號(hào)輸入到細(xì)分計(jì)數(shù)板，4個(gè)獨(dú)立的移相電阻鏈細(xì)分電路對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行移相細(xì)分，并通過(guò)電壓比較器而形成TTL方波信號(hào)，計(jì)數(shù)電路對(duì)細(xì)分后的光柵信號(hào)計(jì)數(shù)。同時(shí)零位信號(hào)將對(duì)計(jì)數(shù)器清零。

總線接口電路并行同步鎖存5個(gè)16 bits的光柵位置數(shù)據(jù)及正、反限位狀態(tài)。5個(gè)選通信號(hào)將分別讀出5個(gè)16 bits的鎖存器數(shù)據(jù)。

該圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)包括：測(cè)量范圍、光電限位范圍等，如表1所示。

表1 圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technology parameters gratings angle measurement system

2 圓光柵傳感器測(cè)量原理

圓光柵傳感器主要由圓光柵、相位光柵、發(fā)光管、準(zhǔn)直鏡及探測(cè)器組成，如圖2所示。

圖2 圓光柵傳感器Fig.2 Round grating sensor

其中圓光柵是一塊兒圓形的鉻層光學(xué)玻璃，在靠近其外圈的刻度線上，利用腐蝕等方法刻劃出周期性的扇形透光窗口。每一個(gè)透光和不透光的扇形圖案稱為一個(gè)刻劃周期T，每一圈中的刻劃周期數(shù)又稱為線對(duì)數(shù)。例如一個(gè)線對(duì)數(shù)為360的圓光柵，其刻劃周期數(shù)是一度。一般來(lái)說(shuō)透光和不透光的扇形圖案的占空比為1:1。圓光柵的線對(duì)數(shù)越大，要求其直徑也就越大，則其測(cè)角分辨率也就越高。同時(shí)，要求其旋轉(zhuǎn)的安裝軸系的精度也就越高，才能相應(yīng)提高其測(cè)角精度。

相位光柵也是一塊兒刻劃有與圓光柵相同刻劃半徑和相同刻劃周期圖案的鉻層光學(xué)玻璃，其二組光柵圖案錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)刻劃周期，這樣便可以判別圓光柵的旋轉(zhuǎn)方向。

發(fā)光管發(fā)出的光，經(jīng)準(zhǔn)直鏡后稱為平行光束，平行光束透過(guò)刻劃面相隔很近的圓光柵和相位光柵后，被光電探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。兩個(gè)探測(cè)器分別對(duì)準(zhǔn)相位錯(cuò)開(kāi)1/4刻劃周期的兩組光柵窗，每個(gè)探測(cè)器可以覆蓋多個(gè)光柵周期。這樣，當(dāng)圓光柵相對(duì)于相位光柵運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以得到相位差90°（1/4T）的兩路正弦波光柵信號(hào)。另外，如果在圓光柵和相位光柵上設(shè)計(jì)一組零位編碼窗，便可在圓光柵每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈得到一個(gè)確定圓光柵的絕對(duì)角位置的零位信號(hào)。

3 圓光柵測(cè)角信號(hào)細(xì)分電路

為提高測(cè)角分辨率和測(cè)角精度，可對(duì)原始的光柵信號(hào)進(jìn)行電子細(xì)分。在某專(zhuān)用圓光柵測(cè)角系統(tǒng)中，多采用移相電阻鏈及方波四倍頻的方法來(lái)達(dá)到對(duì)光柵信號(hào)的20倍細(xì)分。

3.1 移相電阻鏈細(xì)分電路及原理

測(cè)角電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則測(cè)角儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量。為提高測(cè)角儀器的分辨力，應(yīng)使用細(xì)分電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行最大限度的細(xì)分，從而生成具有不同相位的多個(gè)信號(hào)。將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點(diǎn)上可得到相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形，脈沖形成后，就能在余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。

電阻鏈五倍頻細(xì)分電路如圖3所示。

整個(gè)細(xì)分電路由電阻移相網(wǎng)絡(luò)、比較器和邏輯電路3大部分組成 。

電阻移相網(wǎng)絡(luò)在第1、2象限內(nèi)給出的移相角為 10路移相信號(hào)，移相電阻的取值首先應(yīng)滿足式：φ=arctg（R1/R2），并盡可能兼顧到電阻系列的標(biāo)稱阻值。

電壓比較器將10路移相信號(hào)與參考電平UR相比較，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)。電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點(diǎn)具有不同的觸發(fā)電平，這個(gè)電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號(hào)中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點(diǎn)附近因噪聲來(lái)回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點(diǎn)不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。

從比較器得到的10路方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)異或門(mén)邏輯組合電路，在3′和4′端獲得兩路相位差為90°的五倍頻方波信號(hào)，圖7為邏輯電路的工作波形。

電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點(diǎn)具有不同的觸發(fā)電平，這個(gè)電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號(hào)中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點(diǎn)附近因噪聲來(lái)回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點(diǎn)不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。

3.2 原理分析

設(shè)電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓 u1、u2，其中，u1=Esinwt，u2=Ecoswt。 如圖 4 所示。

輸出電壓的幅值與相位都與R1和R2的比值有關(guān)。不同相的輸出電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器整形為方波，然后經(jīng)邏輯電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。

應(yīng)用疊加原理求出電阻鏈接點(diǎn)處輸出電壓為：

圖3 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路Fig.3 Resistance chain five times frequency subdivision circuit

圖4 矢量圖Fig.4 Vector diagram

o

om

1

輸出電壓 uo可寫(xiě)作:uO=uomsin（wt+φ）

改變R1和R2的比值，可以改變j，也就改變了輸出電壓的相位。電阻比的改變也改變了輸出電壓幅值uom；矢量uo的終點(diǎn)沿直線運(yùn)動(dòng)；j=45°時(shí)，uom有最小值。

j=0°～90°第一象限的情況如此。 電路兩端若接 cosωt和-sinωt，可以得到第二象限各相輸出電壓；接-cosωt和-sinωt，可以得到第三象限各相輸出電壓；接-cosωt和 sinωt，可以得到第四象限各相輸出電壓。不同相的輸出電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器整形為方波，然后經(jīng)邏輯電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 邏輯電路的工作波形Fig.5 Waveform of logic circuit

文中設(shè)計(jì)了由電阻移相網(wǎng)絡(luò)、比較器和邏輯電路三大部分組成的圓光柵測(cè)角信號(hào)移相電阻鏈細(xì)分電路，對(duì)含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰4個(gè)軸系的角度位置的圓光柵角度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行角度測(cè)量。將測(cè)得的原始的光柵正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分，提高測(cè)角分辨率和測(cè)角精度。

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