CN206989977U - 莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，属于光栅信号处理技术领域。本实用新型包括两个低通滤波电路、两个绝对值电路、一个比较器电路和两个过零比较器电路；低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪音，两路绝对值电路产生波形用于高精度细分，比较器电路产生的三路方波信号用于粗精度的细分。本实用新型主要用于对光栅尺在相对位移过程中输出的两路正余弦信号进行预处理，以便于进一步的细分和辨向处理。本实用新型同时也可适用于其它的精密位移控制系统的光栅信号预处理。本实用新型电路结合适当的布局布线，可得到较好的信号处理精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，尤其是一种能用于光栅尺或钢带码盘进行精密位移或角度测量与控制的莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，属于光栅信号处理技术领域。
背景技术
光栅付相对移动形成的光栅信号是高精度检测系统的基础。光栅尺或钢带码盘上可有很多距离排列规则的栅线。将两块黑白长光栅相叠合，形成一个很小的夹角，此时光栅付相对移动在于光栅垂直方向上所形成的莫尔条纹信号就是光栅信号。在位移测量或角度测量领域中，光栅测量设备系统相比于其它设备的测量系统具有独特的优势。
决定光栅尺分辨力的主要因素是光栅刻线密度，由于受到光栅制造工艺因素的影响，如果增大光栅刻度线的密度，就会增大光栅尺的制作成本。仅仅依靠增加光栅刻度线密度的办法来提高光栅尺的分辨力是不可取的办法，因为不但将面临着相当大的成本压力而且收到传统工艺的限制也是不可能的。
目前国内外使用的光栅栅距大多为4um以上，但是对于实际中进行精密测量，这个分辨率难以达到测量要求。仅仅利用光栅的栅距来增加精度往往达不到测量要求，因此对光栅信号进行细分来满足测量要求。目前光栅信号的细分方法主要使用的是电子学细分方法，使用光学细分方法和机械细分方法较少。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，用于解决现有的光栅信号细分和辨向困难的问题。
本实用新型技术方案是：莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，包括两个低通滤波电路、两个绝对值电路、一个比较器电路和两个过零比较器电路；
正余弦信号分别输入至低通滤波电路Ⅰ1、低通滤波电路Ⅱ2的输入端；低通滤波电路Ⅰ1的输出端连接到绝对值电路Ⅰ3和过零比较器电路Ⅰ6的输入端；低通滤波电路Ⅱ2的输出端连接到绝对值电路Ⅱ4和过零比较器电路Ⅱ7的输入端；绝对值电路Ⅰ3的输出端连接到ARM处理器8的输入端和比较器电路5的输入端；绝对值电路Ⅱ4的输出端连接到ARM处理器8的输入端和比较器电路5的输入端；比较器电路5的输出端连接到ARM处理器8的输入端；过零比较器电路Ⅰ6的输出端连接到ARM处理器8；过零比较器电路Ⅱ7的输出端连接到ARM处理器8。
所述低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪音，两路绝对值电路产生波形用于高精度细分，比较器电路产生的三路方波信号用于粗精度的细分。高精度细分用于提高位移精度，粗精度细分用于识别位移方向。
所述绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4将两路幅值频率相同正余弦信号分别进行绝对值化处理。
所述过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7将两路幅值频率相同正余弦信号分别转化为方波信号。
所述比较器电路5将绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4所输出波形转换成一个方波信号。
所述绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4所产生的波形用于输入ARM处理器8用于高精度的细分处理；所述比较器电路5、过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7所分别产生三路方波信号用于光栅尺相对移动方向的分辨。
此电路通过一路比较器电路和两路过零比较电路输出的一共三路方波信号可用于实现对光栅相对移动方向的分辨；两路正余弦信号经两路绝对值电路处理后生成的波形有较小的零点位移，可用于接下来的在ARM处理器中进行的细分处理；
本实用新型的有益效果是：主要用于对光栅尺在相对位移过程中输出的两路正余弦信号进行预处理，以便于进一步的细分和辨向处理。本实用新型同时也可适用于其它的精密位移控制系统的光栅信号预处理。本实用新型电路结合适当的布局布线，可得到较好的信号处理精度。
附图说明
图1是莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路功能框图；
图2是绝对值电路图；
图3是过零比较器电路图；
图4是比较器电路图；
图5是二阶有源低通滤波器电路。
图1中各标号：1-低通滤波电路Ⅰ，2-低通滤波电路Ⅱ，3-绝对值电路Ⅰ，4-绝对值电路Ⅱ，5-比较器电路，6-过零比较器电路Ⅰ，7-过零比较器电路Ⅱ，8-ARM处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式：如图1-5所示，莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，包括两个低通滤波电路、两个绝对值电路、一个比较器电路和两个过零比较器电路；其中绝对值电路主要由运放OPA2132UA构成；过零比较器电路主要由运放LF353与LM119构成；比较器电路主要由运放LF353与LM119构成；
正余弦信号分别输入至低通滤波电路Ⅰ1、低通滤波电路Ⅱ2的输入端；低通滤波电路Ⅰ1的输出端连接到绝对值电路Ⅰ3和过零比较器电路Ⅰ6的输入端；低通滤波电路Ⅱ2的输出端连接到绝对值电路Ⅱ4和过零比较器电路Ⅱ7的输入端；绝对值电路Ⅰ3的输出端连接到ARM处理器8的输入端和比较器电路5的输入端；绝对值电路Ⅱ4的输出端连接到ARM处理器8的输入端和比较器电路5的输入端；比较器电路5的输出端连接到ARM处理器8的输入端；过零比较器电路Ⅰ6的输出端连接到ARM处理器8；过零比较器电路Ⅱ7的输出端连接到ARM处理器8。
进一步的，所述低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪音，两路绝对值电路产生波形用于高精度细分，比较器电路产生的三路方波信号用于粗精度的细分。高精度细分用于提高位移精度，粗精度细分用于识别位移方向。
图1中，经绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4处理后的两路正交光栅正余弦信号一方面直接进入ARM处理器用于高精度的细分，另一方面输入比较器电路5形成一路方波。两路正交的光栅正弦信号同时分别输入到过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7又产生两路方波信号。经比较器电路5、过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7所产生的这三路方波信号进入ARM经模数转换成数字信号01序列之后可实现对光栅相对移动方向的分辨。
图2中，除电位器之外，其它均应采用贴片式封装的元器件。绝对值电路精确与否，对后续的信号处理电路由着重要的影响。由于光栅尺输出信号的频率往往较高，且随着光栅尺的移动速度的不同，信号频率变化也较大，因此要求绝对值电路对高频信号进行精确处理，并能在动态条件下稳定工作。本实用新型在电源去耦滤波处理，以及各元器件型号和参数的选择上有特别考虑。为减小差动放大器带来的信号源电阻，在二极管D1、D2的输出上附加470Ω的分流电阻。在高频信号输入以及高速化的工作条件下，该电阻能对信号进行较好的处理，使输出信号幅值衰减较小，过零点信号偏差更低。
图3中，为本实用新型所采用过零比较器电路。出于经济简单考量，采用了运放构成两次放大，再进行比较。
由R20、D4、D3组成的限幅电路起到了保护作用，防止因差模电压过大而损坏运放，也减小输入电压使正负电源电压在有限的供电范围内输出电压均匀不会失真。使用LF353运放进行信号的两级放大，LF353具有增益高，共模抑制比高，工作稳定，补偿简单等特点。放大电路的输出送入过零比较器中。在过零检测中，判断过零的阈值取得越小，则过零信号产生的时刻与过零点越吻合。为了满足对响应速度、精度、功耗、输入失调电压等性能指标的要求，本实用新型选用了LM119以有效提高过零检测精度。
图4中，所采用的比较器电路与图3所示过零比较器电路整体相同，区别仅在于将第一级LF353的反相输入端又接地改为另一路信号的输入。
图5中，由于读数头输出信号中包含有多种噪声，特别是高频噪声，所以需要对其进行去噪处理，为此设计低通滤波器电路。原始光栅信号经过模拟低通滤波器之后的输出信号中的高频噪声信号会被有效地滤除。
本实用新型的工作原理是：正余弦信号首先分别经过低通滤波I1、低通滤波Ⅱ2滤除掉高频噪音。滤波后的正余弦信号分别输入至绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4，产生两个绝对值信号输入至ARM处理器8用于正弦信号的高倍数细分。滤波后的正余弦信号分别输入至过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7。绝对值电路Ⅰ3、绝对值电路Ⅱ4产生的绝对值信号共同输入至比较器电路5。比较器电路5、过零比较器电路Ⅰ6、过零比较器电路Ⅱ7所生成的三个电平信号输入至ARM处理器8。当它们输出信号电平SIGNAL按100-101-111-110-010-011-001-000-100顺序变化一次表示光栅正向移动1/8栅距。当比较器信号电平按000-001-011-010-110-111-101-100-000顺序变化一次表示光栅反向移动1/8个栅距，这样便实现了1/8倍细分以用于光栅相对移动方向的分辨。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.莫尔条纹式光栅信号的细分及辨向预处理电路，其特征在于：包括两个低通滤波电路、两个绝对值电路、一个比较器电路和两个过零比较器电路；
正余弦信号分别输入至低通滤波电路Ⅰ（1）、低通滤波电路Ⅱ（2）的输入端；低通滤波电路Ⅰ（1）的输出端连接到绝对值电路Ⅰ（3）和过零比较器电路Ⅰ（6）的输入端；低通滤波电路Ⅱ（2）的输出端连接到绝对值电路Ⅱ（4）和过零比较器电路Ⅱ（7）的输入端；绝对值电路Ⅰ（3）的输出端连接到ARM处理器（8）的输入端和比较器电路（5）的输入端；绝对值电路Ⅱ（4）的输出端连接到ARM处理器（8）的输入端和比较器电路（5）的输入端；比较器电路（5）的输出端连接到ARM处理器（8）的输入端；过零比较器电路Ⅰ（6）的输出端连接到ARM处理器（8）；过零比较器电路Ⅱ（7）的输出端连接到ARM处理器（8）。
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