光柵信號前置處理電路設計

張 巖， 張春富， 尤其澤

(1. 江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003；2.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051)

0 引 言

21世紀以來，隨著美國“先進制造業伙伴計劃”、德國“工業4.0”等創新戰略計劃的提出，拉開了以智能制造為主導的第四次工業革命的序幕[1]。我國為了跟上時代的步伐實現由制造業大國向制造業強國的轉變，提出了“中國制造2025”的戰略計劃。數控機床是制造執行體系的基本單元，也是現代化大生產的主要特征之一，在生產制造業產生著巨大的經濟和社會效益[2-3]。數控機床中工件的裝夾定位及加工精度是評價機床性能的一個重要指標，高精度、高分辨率的位移檢測是保證產品加工質量的重要手段[4-6]，所以高精密位移測量技術對數控機床的進步和發展起著決定性的作用。光柵編碼器位移測量系統因具有高精度、高分辨率、響應速度快以及可以實現實時動態測量的優點，而被廣泛應用于數控機床[7-11]。

光柵編碼器位移測量系統的測量精度由光柵信號的細分精度決定，而光柵信號的細分精度受光柵信號質量的制約。光柵信號本身含有較大的直流分量，將光柵編碼器實際應用于數控機床時，其光柵信號受高頻噪聲影響較為嚴重[12]。為了獲得純凈的光柵信號實現光柵編碼器位移測量系統的高精密測量，需要對光柵信號進行前期的去直流和濾波處理。又因噪聲頻帶較寬且光柵信號的頻率無規律性可尋，所以光柵信號前置處理電路需要具有自適應性。

本文設計了一種光柵信號前置處理電路，來減小由直流分量及高頻噪聲對光柵信號細分精度產生的影響，進而提高光柵編碼器位移測量系統的測量精度。利用差分放大電路對共模信號的抑制作用來去除光柵信號中的直流分量。通過由數字電位器構成的2階Sallen-Key自適應低通濾波電路濾除光柵信號中的高頻噪聲。該前置處理電路可以有效去除光柵信號中的直流分量，并跟蹤光柵信號頻率實現自適應濾波。其輸出的信號滿足后續光柵信號高倍細分的要求，為實現光柵編碼器位移測量系統的高精度測量打下堅實基礎。

1 總體設計

光柵編碼器輸出的光柵信號為4路理論上相位相差90°的正弦信號，由于原始光柵信號中含有較大的直流分量及噪聲，使光柵信號細分倍數受到限制，所以需要對信號進行前置處理。經過處理后的信號為一路正弦信號和一路余弦信號。光柵信號前置處理電路由差分放大電路、測頻電路、單片機、自適應濾波電路以及存儲器組成，總體框圖如圖1所示。其中，差分放大電路用于去除原始光柵信號中的直流分量和偶次諧波；測頻電路用于測量光柵信號的頻率；單片機用于控制數字電位器進行阻值調節以及對存儲器進行讀寫；自適應濾波電路用于濾除信號中的噪聲；存儲器用于存儲自適應濾波電路的截止頻率-阻值對照表。

2 硬件設計

2.1 差分放大電路

光柵編碼器輸出的光柵信號帶有較大的直流分量，所以需要設計一個具有去直流功能的信號處理電路。差分放大電路是一種應用廣泛的信號處理電路，它對差模信號有較強的放大能力，而對共模信號有較強的抑制能力[13]?？梢杂行У南鈻判盘栔械闹绷鞣至恳约芭即沃C波。如圖2為本文所采用的差分放大電路圖，輸入信號U1+U1msinωt、U2-U2msinωt分別由輸入電阻加在運放的同相端和反相端，輸出則為一路正弦信號，另外兩路信號采用同樣的輸出方法輸出為一路余弦信號。為了保證運放輸入平衡，一般要求輸入電阻相等，即R1=R2，R3=R4[14]。

圖1 總體設計框圖

圖2 差分放大電路

2.2 測頻電路

測頻電路由滯回比較電路與單片機的定時/計數器組成，如圖3所示。通過這種方式對信號進行測頻，其測頻精度與門控時間設置有關，門控時間越長測頻精度越高，但實時性差。因本文對測頻精度要求不高，所以將單片機定時器T0的門控時間設置為50 ms，計數器T1對在門控時間內通過的方波信號進行計數，在門控時間結束時查看計數器T1的計數值N，利用下式便可計算出當前輸入的光柵信號頻率：

圖3 測頻電路

fi=20N

(1)

2.3 自適應濾波電路

因光柵信號應用于數控機床時易受高頻噪聲干擾，所以需要對其進行濾波處理。濾波電路階數越高濾波效果越理想，但對硬件精度要求高且電路易產生振蕩，所以根據實際需要本文設計了一款2階Sallen-Key自適應低通濾波電路，如圖4所示。

圖4 2階Sallen-Key自適應低通濾波電路

該濾波電路的設計方程如下：

其中，式(2)是2階Sallen-Key低通濾波電路傳遞函數的典型表達式。根據式(5)可以計算出該濾波電路的截止頻率。當R1=R2=R，C1=C2=C時，式(5)可以簡化為式(6)。式(2)～(6)中：Q為品質因數；ωc為特征角頻率(rad·s-1)；R1、R2為濾波電路中的電阻(Ω)；C1、C2為濾波電路中的電容(μF);fc為濾波電路截止頻率(Hz)。

由于光柵信號頻率在0～20 kHz不斷變化，所以濾波電路需要具有跟蹤光柵信號頻率的變化來改變自身截止頻率的能力，即自適應性。由上述公式可以發現，通過改變電阻值便可改變截止頻率，因此，將電阻R1、R2用數字電位器來代替，單片機根據光柵信號頻率控制數字電位器改變阻值，進而改變濾波電路的截止頻率，實現自適應濾波。

該濾波電路的核心器件是單片機和數字電位器。其中，單片機采用的是STC89C52RC，數字電位器采用的是AD5293。AD5293是一個單通道，分辨率為10 bit的數字可變電阻器[15]。該數字電位器采用SPI串行通信方式，本文采用STC89C52RC模擬SPI接口與之通信，對AD5293進行初始化和設置。單片機和數字電位器的通信采用Daisy-Chain的控制方式，這樣可以減少I/O口的使用，如圖5所示。

圖5 Daisy-Chain示意圖

為了提高濾波電路的截頻設置精度將數字電位器以串并聯的方式組合之后作為2階Sallen-Key電路中的一個電阻使用，如圖6所示。當2階Sallen-Key自適應低通濾波電路采用兩個未組合數字電位器分別替換電路中的電阻R1、R2時，其允許通過的光柵信號頻率范圍為0～10 kHz，無法滿足本文要求。若采用兩個組合之后的數字電位器分別代替電阻R1、R2，其允許通過的光柵信號頻率范圍為0～21 kHz，可以滿足要求。

圖6 數字電位器串并聯示意圖

表1是輸入的光柵信號頻率為1、3、5、7、9 kHz時，單個數字電位器組成的2階Sallen-Key自適應低通濾波電路的截止頻率fc1和串并聯后的數字電位器組成的2階Sallen-Key自適應低通濾波電路的截止頻率fc2理論值與實際值的比較結果及相對誤差。通過對比可以發現，將數字電位器串并聯之后組成的自適應低通濾波電路的截止頻率能跟蹤光柵信號頻率自動適應，且有良好的線性關系。

表1 并聯前后截止頻率理論值與實測值對照表

3 軟件設計

軟件部分的設計流程圖如圖7所示，系統上電后，首先對數字電位器進行初始化，然后單片機對輸入信號進行測頻，根據測頻結果在存儲器內的阻值頻率對照表中進行查找相近的頻率值，該頻率值要稍微大于或等于測量值以便于濾波更精確，最后單片機根據查找到的頻率值所對應的阻值對數字電位器進行調節進而改變濾波器的截止頻率完成濾波。

圖7 軟件設計流程圖

4 實驗結果分析

在實驗時設置輸入信號頻率fi在0～20 kHz變化，用示波器觀察光柵信號前置處理電路對輸入信號的處理效果。圖8～9所示分別為輸入光柵信號頻率為12 Hz和20 kHz，噪聲頻率為37 Hz和41 kHz，濾波器截止頻率為12.2 Hz和20.56 kHz時，信號處理前后對比圖，其中通道1為輸入帶有噪聲的光柵信號波形，通道2是前置處理電路的輸出信號波形，通過對比發現，該光柵信號前置處理電路的處理效果良好。

圖8 12 Hz處理前后波形對比圖

圖9 20 kHz處理前后波形對比圖

5 結 論

本文主要介紹了光柵信號前置處理電路的原理及結構，設計了處理電路的硬件和軟件。通過理論研究和實驗分析可得出如下結論：

(1) 對于頻率變化范圍在0～20 kHz，幅值為(0.5±3.5)V的光柵信號，該前置處理電路可以有效去除信號中的直流分量以及用于數控機床時受到的高頻噪聲。

(2) 該光柵信號前置處理電路中的濾波電路部分相對于普通自適應低通濾波電路而言，截頻設置精度更高，其截止頻率相對誤差小于3.5%。濾波效果良好，自適應能力強。

(3) 該光柵信號前置處理電路還存在一些不足之處有待進一步研究和改進，以提高該前置處理電路的實時性。