TDC-GP21電場(chǎng)式圓時(shí)柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

但 敏， 鄭方燕， 王合文， 張瀚瀟， 吳玉梅， 樊星辰

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

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TDC-GP21電場(chǎng)式圓時(shí)柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

但 敏， 鄭方燕， 王合文， 張瀚瀟， 吳玉梅， 樊星辰

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

針對(duì)時(shí)柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)需要高精度時(shí)間間隔測(cè)量的需要，設(shè)計(jì)了一種基于TDC-GP21芯片測(cè)量時(shí)間間隔的時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)。采用FPGA控制TDC芯片的高精度測(cè)量模式對(duì)整數(shù)部分時(shí)間脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，小數(shù)部分時(shí)間脈沖采用門電路延遲進(jìn)行細(xì)測(cè)，使時(shí)間測(cè)量更為精確，從而提高了時(shí)柵位移傳感器的分辨率；通過校準(zhǔn)測(cè)量對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償修正，減小了測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該系統(tǒng)后72對(duì)極的圓時(shí)柵在0°～ 360°測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器的原始測(cè)量精度達(dá)到±1″，分辨率為0.036″。

TDC-GP21； 時(shí)柵； 時(shí)間間隔測(cè)量； 信號(hào)處理

0 引 言

面對(duì)現(xiàn)代傳感器高度集成化、智能化、高精度的發(fā)展需要，對(duì)時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)提出了更高的要求。時(shí)柵位移傳感器將時(shí)間做為測(cè)量基準(zhǔn)，采用“時(shí)間測(cè)量空間”實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)[2，3]，因此，對(duì)時(shí)間間隔的高精度測(cè)量尤為重要。而傳統(tǒng)的時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)采用的是高頻時(shí)鐘脈沖插補(bǔ)技術(shù)對(duì)感應(yīng)信號(hào)和同頻參考信號(hào)的相位差進(jìn)行計(jì)數(shù)來計(jì)算時(shí)間間隔[4]。隨著研究的不斷深入，電場(chǎng)式時(shí)柵利用正交變換的電場(chǎng)構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)參考系進(jìn)行測(cè)量[5]，激勵(lì)信號(hào)頻率提高近100倍，需要將插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖提高到數(shù)GHz才能獲得較高的測(cè)量精度。由于受器件性能參數(shù)等條件的影響，插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖頻率受到限制。

本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測(cè)量時(shí)間間隔的電場(chǎng)式時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)控制TDC粗值計(jì)數(shù)器完成整周期時(shí)間間隔測(cè)量，同時(shí)采用TDC內(nèi)部門電路延遲完成非整周期時(shí)間間隔測(cè)量和校準(zhǔn)補(bǔ)償[6，7]，降低了對(duì)插補(bǔ)脈沖頻率的要求，減小了測(cè)量誤差，提高了傳感器的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能高速穩(wěn)定的正常工作。

1 電場(chǎng)式圓時(shí)柵工作原理

電場(chǎng)式圓時(shí)柵的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，動(dòng)尺基體下表面覆有兩圈等間距的正弦電極，定尺基體上表面覆有內(nèi)外兩圈扇環(huán)形電極，兩圈電極的奇偶片分別相連，分別稱為A激勵(lì)電極和B激勵(lì)電極，A、B兩相激勵(lì)電極空間相位相差90°。動(dòng)尺電極與定尺電極正對(duì)平行安裝，并留有一定間隙δ，正對(duì)電極形成差動(dòng)電容[4]。

圖1 時(shí)柵傳感器工作原理圖Fig 1 Working principles of time grating sensor

傳感器工作時(shí)，在A，B激勵(lì)電極分別施加符號(hào)相反的同頻等幅正弦激勵(lì)電壓和余弦激勵(lì)電壓如圖1所示，在A激勵(lì)電極上施加UA+，UA-，則

UA+=-UA-=Umsinωt

(1)

式中Um為激勵(lì)信號(hào)幅值，ω為激勵(lì)信號(hào)角頻率。

經(jīng)耦合電場(chǎng)，在動(dòng)尺上輸出一路呈周期性變化的駐波信號(hào)UOA為

(2)

式中Ke為電場(chǎng)耦合系數(shù)，W為極距，x為相對(duì)位移。

同理，在動(dòng)尺上輸出另一路駐波信號(hào)UOB為

(3)

將耦合到的兩路駐波信號(hào)UOA和UOB合成一路行波信號(hào)UO為

(4)

將合成的行波信號(hào)UO經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后得動(dòng)尺和定尺的相對(duì)角位移值。

2 精密時(shí)間間隔測(cè)量原理

2.1 脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)

傳統(tǒng)時(shí)柵信號(hào)處理相位差時(shí)間間隔測(cè)量采用的是脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)法[8]，即利用一個(gè)周期為T0的高頻脈沖插補(bǔ)待測(cè)時(shí)間間隔，對(duì)插補(bǔ)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，而實(shí)際待測(cè)時(shí)間間隔Tc可以表示為

Tc=nT0+Ts-Tp

(5)

式中nT0為高頻時(shí)鐘脈沖的整周期時(shí)間，Ts和Tp為高頻時(shí)鐘脈沖的非整周期時(shí)間。

圖2 時(shí)間間隔測(cè)量原理圖Fig 2 Principle of time interval measurement

由時(shí)間間隔測(cè)量原理圖2可以看出，傳統(tǒng)脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)法的不足之處在于，待測(cè)時(shí)間信號(hào)的起始沿和終止沿不能與參考時(shí)鐘完全同步，即待測(cè)時(shí)間間隔與高頻插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)邊沿具有隨機(jī)性，無法測(cè)量到非整周期Ts和Tp部分的時(shí)間間隔，所以，會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)時(shí)鐘周期的“盲區(qū)”，無法精確測(cè)量出待測(cè)時(shí)間間隔。

2.2 TDC時(shí)間間隔測(cè)量

為了減小脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)帶來的“盲區(qū)”誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度，采用德國ACAM公司研發(fā)的TDC-GP21芯片對(duì)相位差時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)TDC測(cè)量時(shí)間間隔模塊由參考時(shí)鐘周期的整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，整數(shù)部分(nT0)通過TDC的粗值計(jì)數(shù)器測(cè)出，小數(shù)部分(Ts和Tp)通過插值單元讀出。小數(shù)部分測(cè)量的主要原理是利用內(nèi)部門電路傳輸延時(shí)計(jì)算時(shí)間間隔，當(dāng)信號(hào)通過全部門電路時(shí)，轉(zhuǎn)換部分精確地記下信號(hào)通過門電路的個(gè)數(shù)，完成時(shí)間信號(hào)的數(shù)字化，其分辨率是由信號(hào)通過一個(gè)門電路的延遲時(shí)間決定[9]。

由于門電路的時(shí)間延遲會(huì)隨供電電壓和溫度的影響，每次測(cè)量完成后，TDC會(huì)自動(dòng)對(duì)門電路的延時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。首先，通過內(nèi)部延遲單元測(cè)量時(shí)間間隔，然后，測(cè)量外部基準(zhǔn)時(shí)鐘周期T1和T2；最后，由TDC-GP21內(nèi)部的算術(shù)邏輯單元(ALU)根據(jù)T1和T2對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，以上計(jì)算、校準(zhǔn)都是由TDC-GP21自動(dòng)完成的。校準(zhǔn)結(jié)果RESX和待測(cè)時(shí)間間隔Tc的計(jì)算公式如下

(6)

(7)

式中 RESX為校準(zhǔn)值，T1和T2為校準(zhǔn)時(shí)間，Tref為高頻參考時(shí)鐘。

3 信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于TDC-GP21電場(chǎng)式圓時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)以FPGA作為控制核心，用TDC-GP21進(jìn)行相位差時(shí)間間隔測(cè)量。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖Fig 3 Block diagram of overall design of system

電場(chǎng)式圓時(shí)柵動(dòng)尺輸出的行波信號(hào)UO經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波、整形后形成的方波信號(hào)與同頻參考信號(hào)Ur比相，然后用TDC-GP21精確地測(cè)量出被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，再由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)數(shù)碼管顯示出來，也可以通過RS—232送入上位機(jī)，便于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

3.2 控制軟件設(shè)計(jì)

TDC-GP21作為系統(tǒng)信號(hào)處理模塊的核心，軟件部分主要是對(duì)TDC-GP21寄存器的設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，其時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖4 時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)流程圖Fig 4 Flow chart of time interval measurement system

首先對(duì)TDC-GP21初始化為高精度模式，設(shè)置ALU計(jì)算后的自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)量值。然后向TDC-GP21發(fā)送命令，使TDC-GP21處于測(cè)量狀態(tài)。TDC-GP21接收到start信號(hào)后，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收到stop信號(hào)后ALU按照設(shè)定的模式進(jìn)行時(shí)間間隔的計(jì)算、校準(zhǔn)，然后產(chǎn)生中斷信號(hào)，讀取時(shí)柵傳感器輸出行波信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位時(shí)間差，再經(jīng)標(biāo)度轉(zhuǎn)化得到動(dòng)尺相對(duì)定尺的角位移。若TDC-GP21接收到start信號(hào)后在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)沒有接收到stop信號(hào)，則測(cè)量時(shí)間溢出，TDC-GP21也產(chǎn)生中斷信號(hào)，程序重新進(jìn)入初始化階段。兩種中斷信號(hào)的判別是通過向TDC-GP21發(fā)送讀取狀態(tài)寄存器命令，讀取狀態(tài)寄存器的值判斷中斷源。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。采用LABVIEW產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)加載在傳感器定尺上，傳感器定尺安裝在六自由度平臺(tái)上，動(dòng)尺安裝在RPI氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過六自由度平臺(tái)調(diào)整動(dòng)定尺之間的平行度和同心度。安裝完成后，控制氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)使動(dòng)尺和定尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)，傳感器動(dòng)尺通過電場(chǎng)耦合得到輸出信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后得到動(dòng)定尺之間的相對(duì)角位移值。

圖5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖Fig 5 Block diagram of testing experiment

在相同條件下對(duì)72對(duì)極的電場(chǎng)式圓時(shí)柵傳感器進(jìn)行了多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采用1 GHz高頻脈沖對(duì)行波信號(hào)和參考信號(hào)的相位差進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)數(shù)，能達(dá)到的最小分辨率是0.375″；而采用TDC芯片的時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，由于其對(duì)時(shí)間測(cè)量的精度能達(dá)到100 ps，傳感器最小分辨率能達(dá)到0.036″，提高了測(cè)量分辨率。

基于上述實(shí)驗(yàn)方法，采用TDC測(cè)量相位差時(shí)間間隔的時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，傳感器整周的誤差曲線如圖6所示。

圖6 0°～360°誤差曲線圖Fig 6 Error curve for rang of 0°～360°

由實(shí)驗(yàn)誤差曲線可以看出:整周誤差曲線存在一次誤差，一次誤差主要來源于傳感器動(dòng)尺和定尺之間的安裝偏心；72對(duì)極的圓時(shí)柵在0°～ 360°測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器的原始測(cè)量精度達(dá)到±1″，分辨率達(dá)0.036″。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于TDC-GP21電場(chǎng)式圓時(shí)柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用TDC芯片測(cè)量傳感器輸出信號(hào)與同頻參考信號(hào)的相位差，整數(shù)部分采用脈沖插補(bǔ)進(jìn)行計(jì)數(shù)，小數(shù)部分采用內(nèi)部門電路延遲的方式進(jìn)行細(xì)測(cè)，減小了脈沖插補(bǔ)法的量化誤差，改善了由傳統(tǒng)脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)方式帶來的測(cè)量誤差；并通過校準(zhǔn)測(cè)量減小了芯片隨溫度和電壓等變化帶來的測(cè)量誤差，提高了傳感器可靠性，優(yōu)化了時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)。

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Signal processing system design of electric-field type circular time grating sensor based on TDC-GP21*

DAN Min, ZHENG Fang-yan, WANG He-wen， ZHANG Han-xiao, WU Yu-mei, FAN Xing-chen

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education，Chongqing Key Laboratory of Time Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

To meet the high precision requirements of time interval measurement of signal processing system for time grating sensors,a signal processing system based on TDC-GP21 chip is proposed.FPGA is used to control high precision measurement pattern of TDC chip to count integer part of time pulse,and the decimal part of time pulse can be measured precisely using gating circuit delay.In this way,time value is measured more precisely and the measuring resolution of the time grating sensors is improved; calibration measurements are employed to compensate the measurement results,thus the measuring errors are reduced.The experimental results show that the original measurement precision of the time grating sensors with 72 pairs of poles reaches ±1″ and the resolution is enhanced to 0.036″ at range of 0°～360°.

TDC-GP21; time grating; time interval measurement; signal processing

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0089—03

2016—08—26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51435002,51305478)； 重慶市基礎(chǔ)研究與前沿研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(CSTC2016JCYJA0505，CSTC2014JCYJA7002); 重慶市科委前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(CSTC2014JCYJA70002)

TP 274

A

1000—9787(2016)12—0089—03

但 敏(1990-),女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。