CN103335671B - 一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路 - Google Patents

Abstract

一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路属于精密机械加工测量领域，包括光电探测器阵列、信号放大电路阵列、采样保持电路阵列、信号基准校正电路、信号增益校正电路和校正数据存储器；光电探测器阵列将位置光信号发送到信号放大电路阵列，其将信号放大，发送至采样保持电路阵列；信号基准校正电路读取校正数据存储器中的基准校正数据产生偏置电压，信号增益校正电路读取增益校正数据设定增益范围；信号基准校正电路和信号增益校正电路对采样保持电路阵列输出的信号进行基准、增益和放大，提供给A/D使用。该电路解决了共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不匹配等问题，并具有结构简单、电路参数可配置的、可片内集成的特定。

Description

一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路

技术领域

本发明属于精密仪器检测领域，具体涉及一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路。

背景技术

光栅尺在精密仪器、精密微加工、高精度数控机床中等机械加工被广泛采用，其性能对机械加工的质量有很大的影响。

一般光栅尺分为绝对式光栅尺和增量式光栅尺。增量式光栅尺实现方法简单，制造成本低，但在系统断电之后数据将丢失。绝对式光栅尺在光栅尺上利用码道绝对编码技术记录绝对位置信息，系统上电后只需读取光栅尺上的编码信息即可知道位置信息。

由于绝对式光栅尺采用了码道编码技术读取绝对位置信息，因此共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不完全匹配等因素对输出信号的摆幅和信噪比有很大的影响，需要大量的后处理电路，增加了处理电路的复杂性。若由于共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不完全匹配等因素造成绝对码道的输出信号摆幅无法达到要求，则后处理电路也无法完成位置信息的处理。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，该电路解决了绝对式光栅尺中共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不完全匹配等因素对输出信号的摆幅和信噪比的影响大和处理电路复杂的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，该电路包括：光电探测器阵列和采样保持电路阵列，该电路还包括：信号基准校正电路、信号放大电路阵列信号增益校正电路和校正数据存储器；光电探测器阵列将具有绝对位置信息的光信号发送到信号放大电路阵列，信号放大电路阵列将信号放大，并将放大的信号发送至采样保持电路阵列；信号基准校正电路读取校正数据存储器中的基准校正数据产生一偏置电压，同时信号增益校正电路读取校正数据存储器的中的增益校正数据，设定增益范围；信号基准校正电路和信号增益校正电路对采样保持电路阵列输出的绝对位置信号进行信号基准校正以及信号增益校正，将信号进一步放大到一定的幅度，提供给后续的A/D使用。

本发明的有益效果是：

该电路解决了绝对式光栅尺中共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不完全匹配等因素对输出信号的摆幅和信噪比的影响大和处理电路复杂的问题，并具有结构简单、电路参数可配置的、可片内集成的特定。

附图说明

图1本发明绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路的结构图。

图2本发明实施例结构示意图。

图3本发明在一个读取周期里的主要时序示意图。

图4是本发明的输出结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，该电路包括：光电探测器阵列1、信号放大电路阵列2、采样保持电路阵列3、信号基准校正电路4、信号增益校正电路5和读取校正数据存储器6；光电探测器阵列1中的各光电探测器单元接收代表绝对位置信息的光信号，光电探测器单元相互平行排成一排，具有一定的周期和空比，光电探测器单元的尺寸根据光电响应效率、所用光强、采样保持电路单元的大小、曝光时间等要素设定为一特定值，光电探测器单元数目根据实际需要而设定。

该光信号被信号放大电路阵列2放大，信号放大电路阵列2的放大倍数根据光电响应效率、所用光强、采样保持电路单元的大小、曝光时间要素设定。

在读取绝对位置信息的触发信号没有被触发之前，该被放大的信号不进入采样保持电路阵列3，并且采样保持电路阵列3处于清零阶段。采样保持电路线阵3的大小根据光电响应效率、所用光强、信号放大倍数、曝光时间等要素设计为某一值，采样保持电路线阵3存储代表位置信息的光电荷。在读取绝对位置信息的触发信号被触发后，采样保持电路阵列3的每一路同时对信号放大电路阵列2输出的信号进行采样保持操作。

在每次信号基准校正电路4开始工作之前，都要对其内部的电路进行清零，消除残留电荷对下个探测器单元所存储的绝对位置信息的影响，信号基准校正电路4从校正数据存储器6中按照时序依次读取每一路绝对位置信号的基准校正数据，并将光电探测器阵列1、信号放大电路阵列2和采样保持电路阵列3输出的每一路绝对位置信号按照时序依次提供一个偏置电压，进行信号基准校正，校正由于共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器阵列1的不完全匹配等因素对输出信号的影响。

信号增益校正电路5从校正数据存储器6中按照时序依次读取每一路绝对位置信号的增益校正数据，并将信号基准校正电路4输出的每一路绝对位置信号按照时序依次进行信号增益校正，实现进一步放大，以达到片外A/D的满量程输入范围。

校正数据存储器6的容量由信号基准校正电路4的校正精度和信号增益校正电路5的放大档数决定，其在电路上电之后，通过通讯接口7读取外部的校正数据并写入到校正数据存储器6中，写完之后通讯接口7处于休眠状态。在每次读取采样保持电路阵列3上信号的时候，校正数据存储器6输出数字码给信号基准校正电路4和信号增益校正电路5，分别给信号基准校正电路4和信号增益校正电路5提供一定的偏置电压和电压放大倍数。

在具体实施方式中，信号放大电路阵列为电流镜线阵9，如图2所示，该电流镜的放大倍数B根据光电响应效率、所用光强、采样保持电路单元的大小、曝光时间要素等设计为某一值。电流镜线阵9的电流镜单元的总数与该光电二极管线阵8的光电探测器单元数目和采样保持电路阵列3的电容单元数目相同且一一对应。

电荷转移电路10和数模转换电路11实现了信号基准校正电路4的功能。电压放大电路12实现了信号增益校正电路5。电荷转移电路10中的误差放大器采用高增益带宽积、低输入共模电平、低输入电容、大驱动能力、具有内部频率补偿功能的运算放大器，其闭环时间常数小于相邻探测器单元之间读取的时间间隔。该电荷转移电路10依次将该采样保持电路线阵3中存储的光电荷转移出来，产生相对应的输出电压。数模转换电路11采用了结构简单、速度较快、具有大负载驱动能力和低输出阻抗的电流舵型结构，其精度可根据该电压放大电路12放大倍数的档数等要素确定，该数模转换电路11在该电荷转移电路10转移该采样保持电路线阵3上的光电荷的时候提供一个偏置电压给该电荷转移电路10中的运算放大器来校正由于共模噪声、光源的非均匀分布、光电探测器的不完全匹配等因素对输出信号的影响。电压放大电路12中的误差放大器采用高增益带宽积、高摆幅、低输入电容、大驱动能力、具有内部频率补偿功能的运算放大器，其负反馈回路由该可变电阻组成，该可变电阻由一系列具有特定值的电阻串联组成，该电压放大电路12的电压放大倍数由静态存储器13的输出结果来选择该可变电阻的实际连接方式而确定，该电压放大器12的放大倍数的档数由静态存储器13的输出结果和该可变电阻的串联电阻的数目决定。该电压放大电路12将该电荷转移电路10的输出电压进一步放大，以达到片外A/D的满量程输入范围。

静态存储器13的容量由该数模转换器11的精度和该电压放大电路12放大倍数的档数决定，其在电路上电之后马上接收该I2Cinter－integratedcircuit电路14写入的校正数据，并且在每次读取该采样保持电路线阵3上的光电荷的时候输出数字码给该数模转换器11和可变电阻，分别给该电荷转移电路10和该电压放大电路12提供一定的偏置电压和电压放大倍数。

一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路的主要时序图如图3所示，I2C电路14在上电之后首先将校正数据写入到静态存储器13上，写完之后I2C电路14处于休眠状态。该光电二极管线阵光电探测器线阵8的各光电探测器单元一直接收代表绝对位置信息的光信号，该光信号被该光电二极管线阵光电探测器线阵8转换为对应的光电流，在读取绝对位置信息的触发信号没有出现之前，该光电流被该电流镜线阵9放大B倍后通过传输门流走而不能进入该采样保持电路线阵3，该采样保持电路线阵3的所有电容都处于清零阶段。在读取绝对位置信息的触发信号出现后，该电流镜线阵9的各电流镜单元将对应的光电流放大B倍后流进采样保持电路线阵3，该采样保持电路线阵3的各电容单元将被放大的对应的光信号存储起来。在每次电荷转移开始之前，由清零信号Sr所控制的传输门对反馈电容C_f1进行清零，消除C_f1上的残留电荷对下个探测器单元所存储的绝对位置信息的影响，该数模转换器11同时接收该静态存储器13的m路数字输出并产生一对应的电压来调节电荷转移电路10的共模电压，同时可变电阻接收静态存储器13的n路数字码，使电压放大电路12产生一对应放大倍数。在该电荷转移电路10和电压放大电路12的共模电压和放大倍数配置完成之后，该电荷转移电路10将采样保持电路线阵3上存储的光信息转移出来并产生相应的代表光信息的电压，该电压放大电路12将电荷转移电路10的输出电压进一步放大到一定的幅度，提供给后续的A/D使用。

图4为本发明的输出结果示意图，其中的每个峰代表该光电二极管线阵8中的每个光电探测器单元所接收到的光信号的强弱，经过一定的算法后，可直接得到被校正后的绝对位置信息。

Claims (8)

1.一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，该电路包括：光电探测器阵列、信号放大电路阵列和采样保持电路阵列，其特征在于，该电路还包括：信号基准校正电路、信号增益校正电路和校正数据存储器；光电探测器阵列将具有绝对位置信息的光信号发送到信号放大电路阵列，信号放大电路阵列将信号放大，并将放大的信号发送至采样保持电路阵列；信号基准校正电路读取校正数据存储器中的基准校正数据产生一偏置电压，同时信号增益校正电路读取校正数据存储器的中的增益校正数据，设定增益范围；信号基准校正电路和信号增益校正电路对采样保持电路阵列输出的绝对位置信号进行信号基准校正以及信号增益校正，将信号进一步放大到一定的幅度，提供给后续的A/D使用。

2.如权利要求1所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，所述信号基准校正电路通过电荷转移电路和数模转换电路实现。

3.如权利要求1所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，所述信号增益校正电路通过电压放大电路实现。

4.如权利要求1所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，在读取绝对位置信息的触发信号没有被触发之前，所述放大的信号不进入采样保持电路阵列，采样保持电路阵列处于清零阶段；在读取绝对位置信息的触发信号被触发后，采样保持电路阵列同时对信号放大电路阵列输出的信号进行采样保持操作，在每次信号基准校正电路开始工作之前，都要对其内部的电路进行清零，消除残留电荷对下个探测器单元所存储的绝对位置信息的影响。

5.如权利要求1所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，所述信号放大电路阵列为电流镜。

6.如权利要求1或4所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，光电探测器阵列、信号放大电路阵列和采样保持电路阵列中的单元数目相同，且顺次对应。

7.如权利要求1所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，该电路还包括：通讯接口；外部数据通过通讯接口储存至校正数据存储器中。

8.如权利要求7所述的一种绝对式光栅尺绝对位置信息的校正及读取电路，其特征在于，所述通讯接口为I2C电路。