光柵信號直流電平的自動校正

王驍　程志遠　李婕　趙世芳　譚曉明　蒲忠勝

摘 要： 在圓光柵作為分度基準的高精度測量儀器中，測量信號的穩定性直接影響到最終的測量精度。針對實際光柵信號不穩定性產生直流電平漂移的情況，在電子細分的基礎上，采用了A/D和D/A轉換器實時校正直流電平的方法，解決了實際光柵信號的直流電平漂移影響處理器計數的問題，降低了測量誤差。此方法主要由軟件編程來實現，硬件電路設計簡單，電路的復雜程度低，有利于提高測量精度。

關鍵詞： 光柵； 直流電平； 漂移； A/D和D/A轉換器； 校正

中圖分類號： TN911.7?34； TB96 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0067?03

0 引 言

光柵作為一種精密的測量工具，廣泛應用于精密儀器、坐標測量、精確定位、高精度加工等領域[1]。光柵測量技術是集光、機、電于一體的數字位移傳感技術，它采用光電轉換可將機械位置信息轉換成相應的數字信號輸出[2]。圓光柵測角系統中，光柵度盤的標尺光柵和指示光柵組成光柵副，而測角系統就是以光柵副發生相對轉動時產生的明暗相間的莫爾條紋為基礎的。明暗相間的莫爾條紋隨著光柵的移動會產生類似于正弦信號的光強變化，對此信號進行一系列的處理，即可獲得光柵的相對移動量[3?5]。然而在實際的測量中受工藝和成本的限制，由光柵信號產生的正弦信號往往會發生直流漂移，這會給測量精度帶來較大誤差。消除信號中直流電平的方法很多，比如機械式調整法，包括調整硅光電池的受光面積，改變推廣電池和光源的相對位置等[6]。很多設計中采用差分放大電路來消除信號中的直流分量[7?8]。此外，文獻[2]中還提到在調理電路中設置高通濾波器來濾除直流分量。本文就此問題利用A/D和D/A轉換器，對源光柵信號的直流漂移進行實時校正，并將校正后的電平作為比較器的基準電壓，使比較器輸出更加精準的計數信號。此方法避免了繁雜的調節，并且不會增加硬件電路的復雜程度，結構簡單易于實現，對提高光柵的測量精度具有非常重要的實用價值。

1 系統總體設計

光柵計量系統由光柵光學系統信號采集電路和信號處理電路兩部分組成，其基本工作原理是：被測光柵盤和基準光柵盤每轉過一條柵線，它們各自都會產生一個完整的正弦（余弦）信號，經過差分、放大、整形，送到控制器進一步處理，系統原理框圖如圖1所示。

當指示光柵相對于標尺光柵發生位移時，會產生明暗相間的莫爾條紋，把光電傳感器放在不同位置可以得到相位相差90°的正余弦信號，正余弦信號分別用作計數信號和辨向信號。假設正弦信號作為計數信號，余弦信號作為辨向信號，當余弦超前正弦90°時光柵計數器做累加計算，當余弦滯后正弦90°時光柵計數器做累減運算，這兩路信號經過比較器整形成方波，送給處理器細分、計數和辨向，正余弦信號如圖2所示。

比較器整形是提取正余弦的直流分量作為基準比較電壓，實際上由于制造工藝，機械結構以及光路穩定性等各種原因，光柵信號的直流電平經常發生偏移，如果不及時測量直流分量，系統的測量精度就會大大降低。針對這種情況，本設計在電路中加入了直流電平校正模塊，通過處理器計算獲得信號的直流電平，并將此電平由D/A反饋給比較器作為比較器的基準比較電壓，使比較器輸出更準確的計數信號。加入校正模塊能有效避免計數脈沖產生延時和遺漏的情況，這樣就基本解決了直流電平漂移影響處理器計數的問題。

信號送到處理器后，需要經過一系列處理，其中重要的一環就是對類似于正弦波的電信號進行細分。細分方法可分為光學細分、機械細分和電子細分三大類，光學細分、機械細分是通過硬件來實現的，提高細分精度會使硬件電路變得更加復雜。而電子學細分可利用軟件編程實現，大大降低了硬件電路的復雜程度，并且具有讀數快、精度高，易于實現測量和數據處理過程的自動化等優點，因而得到了廣泛的應用[9?10]。本文采用了電子細分的方法對比較器輸出的信號進行細分。

2 硬件電路設計

本系統的硬件電路設計中的處理器選用含有內置D/A和A/D的SMTM32F103。STM32擁有先進的性能，基于集成嵌入式FLASH和SRAM存儲器的ARM Cortex?M3內核，和8/16位設備相比，ARM Cortex?M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率，在高性能的同時擁有低功耗和大集成度等優點。

硬件電路設計原理：光源發出光，當度盤相對指示光柵發生轉動時，透過大小光柵的光產生明暗交替的變化，各個位置的光電傳感器將光信號轉換為電信號，單個電信號接近正、余弦信號。為了防止直流電平對后級電路的影響，同時為了增大正、余弦信號的共模抑制比，將它們接入差分放大電路，并設置合適的參數將信號放大到合適的范圍。此時將信號分為兩路，一路送往比較器，而另一路送到處理器的A/D口，由處理器計算信號的直流電平，并判斷直流電平是否需要校正，如果需要校正則由D/A端口將校正后的直流電平送到比較器的另一端，作為比較器的基準比較電壓。與通用的固定基準電壓的比較器相比，這種方法可以實時地檢測正、余弦信號的直流電平變化，并且根據直流電平的變化實時調整比較器的基準電壓，這樣比較器的基準電壓就不會因為信號直流電平漂移而受到太大的影響，因此比較器能輸出更加精準的信號，此時再將信號輸入到處理器的A/D口，交給處理器處理，硬件電路設計圖如圖3所示。

3 軟件設計

軟件設計主要是對信號的采樣、直流電平校正、辨向、計數進行處理。處理過程如下：經過處理后的sin、cos信號，分為兩路，一路經過同相回差比較器后，將正、余弦信號整形成方波信號，方波信號送至STM32進行計數與辨向處理；另一路送到STM32內置A/D引腳，實時檢測正弦、余弦信號的電壓值并計算直流電平，根據電壓值與直流電平的變化調整軟件細分參數以及整形電路的觸發電平。當檢測到直流信號與上次測得的值有變化時，STM32就會通過自帶的D/A實時地調整比較器的參考比較電壓，自動校正正、余弦信號的過零點。

程序中的兩個中斷處理。一個用來計算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數周長計數器的加減。另一個用來計算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計數方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細分和顯示任務，系統軟件設計流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計數之前，處理器會對信號的直流電平進行實時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準電平，使比較器輸出更精準的信號。如果不進行比較器基準電平的校正，比較器就會因為基準電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計數。假設在測角過程中，比較器基準電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發生相應的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發生的時間被提前，導致計數脈沖產生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計數脈沖則會延遲產生，若這個時間便停止測角，由于計數脈沖被延遲，處理器便會將這個計數脈沖遺漏，造成了計數誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導致信號幅值一直比比較器的基準電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產生計數脈沖，造成了處理器計數的遺漏，產生了計數誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結 語

本設計采用電子學細分，利用軟件編程對信號進行辨向和計數，硬件電路設計十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎上，硬件電路中對信號的直流電平實時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準確的計數信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計數誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻

[1] 曹向群，黃維實，金彤.光柵計量技術[M].杭州：浙江大學出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學細分技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數字細分技術及其誤差分析[J].西安公路交通大學學報，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數字細分技術及其誤差分析[J].計量學報，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數字細分技術[J].計量技術，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學技術，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細分技術研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細分技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細分技術及其誤差分析[J].工具技術，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細分技術的研究[D].長春：長春理工大學，2009.

程序中的兩個中斷處理。一個用來計算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數周長計數器的加減。另一個用來計算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計數方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細分和顯示任務，系統軟件設計流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計數之前，處理器會對信號的直流電平進行實時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準電平，使比較器輸出更精準的信號。如果不進行比較器基準電平的校正，比較器就會因為基準電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計數。假設在測角過程中，比較器基準電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發生相應的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發生的時間被提前，導致計數脈沖產生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計數脈沖則會延遲產生，若這個時間便停止測角，由于計數脈沖被延遲，處理器便會將這個計數脈沖遺漏，造成了計數誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導致信號幅值一直比比較器的基準電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產生計數脈沖，造成了處理器計數的遺漏，產生了計數誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結 語

本設計采用電子學細分，利用軟件編程對信號進行辨向和計數，硬件電路設計十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎上，硬件電路中對信號的直流電平實時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準確的計數信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計數誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻

[1] 曹向群，黃維實，金彤.光柵計量技術[M].杭州：浙江大學出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學細分技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數字細分技術及其誤差分析[J].西安公路交通大學學報，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數字細分技術及其誤差分析[J].計量學報，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數字細分技術[J].計量技術，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學技術，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細分技術研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細分技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細分技術及其誤差分析[J].工具技術，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細分技術的研究[D].長春：長春理工大學，2009.

程序中的兩個中斷處理。一個用來計算正弦信號的直流電平和峰峰值并利用正弦脈沖信號控制整數周長計數器的加減。另一個用來計算余弦信號的直流電平和峰峰值并利用余弦脈沖信號判斷計數方向。主程序主要完成采樣、直流校正、細分和顯示任務，系統軟件設計流程圖如圖4所示。

4 誤差分析

在計數之前，處理器會對信號的直流電平進行實時檢測和校正，并將校正后的直流電平送往比較器作為基準電平，使比較器輸出更精準的信號。如果不進行比較器基準電平的校正，比較器就會因為基準電平的不正確而輸出畸變的方波信號，影響處理器計數。假設在測角過程中，比較器基準電壓一直固定不變，而在某一時刻信號的直流電平往上漂移，那么比較器輸出方波也會發生相應的改變，如圖5所示。此時的方波占空比變大，上升沿發生的時間被提前，導致計數脈沖產生的時間也被提前。相對的，如果信號的直流電平往下漂移，計數脈沖則會延遲產生，若這個時間便停止測角，由于計數脈沖被延遲，處理器便會將這個計數脈沖遺漏，造成了計數誤差。另外，直流電平漂移和信號的變形可能會導致信號幅值一直比比較器的基準電平大，則方波就變成了一段高電平，如圖6所示。這樣就不能產生計數脈沖，造成了處理器計數的遺漏，產生了計數誤差。本文采用的方法則能改善甚至消除這種誤差。

5 結 語

本設計采用電子學細分，利用軟件編程對信號進行辨向和計數，硬件電路設計十分簡單，減少了干擾源，降低了成本。在此基礎上，硬件電路中對信號的直流電平實時檢測并反饋給比較器的輸入端，使比較器輸出更準確的計數信號，解決了以往光柵測量中直流電平漂移的問題，基本消除了處理器因直流電平的漂移所帶來的計數誤差，從而提高了測量精度。

參考文獻

[1] 曹向群，黃維實，金彤.光柵計量技術[M].杭州：浙江大學出版社，1992.

[2] 呂孟軍.光柵莫爾條紋電子學細分技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[3] 袁小濱，李懷瓊.光柵莫爾條紋數字細分技術及其誤差分析[J].西安公路交通大學學報，2001，21（1）：113?115.

[4] 李懷瓊，陳錢，王鈺.新型光柵信號數字細分技術及其誤差分析[J].計量學報，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐暉，葉險峰，李向軍.一種基于FPGA的光柵莫爾條紋數字細分技術[J].計量技術，2006，10（10）：14?17.

[6] 盧桂正.光柵數字顯示裝置中前置光電放大器輸出直流電平的校正[J].光學技術，1981（1）：27?29.

[7] 朱維娜.基于DSP2812的光柵細分技術研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[8] 劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號細分技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[9] 藺小軍，史耀耀，汪文虎，等.光柵信號軟件細分技術及其誤差分析[J].工具技術，2006，40（10）：72?74.

[10] 劉中力.光柵度盤測角儀中信號的辨向細分技術的研究[D].長春：長春理工大學，2009.