基于FPGA和AD等相位距移相的光栅数字细分法

　　1引言

　　光栅传感器具有量程大、精度高、稳定性好等优点,在测量与控制、机电一体化领域有着广泛的应用。光栅传感器的测量基于莫尔条纹,明暗相间的莫尔条纹随着光栅的移动会产生近似于正弦周期光强度变化。直接利用光栅输出的原始信号进行测量,分辨率由光栅常数决定,光栅常数受到制造工艺限制,无法得到高分辨率。通过对光栅原始信号进行细分处理可以提高测量的分辨率。本文提出了一种新型的数字等相距细分方法,用FPGA和AD模数转换器件来代替传统电阻链和电压比较器,实现光栅莫尔条纹的数字细分。该方法在高倍细分情况下,避免复杂的电阻链结构和大量的比较器,减小了系统的体积和复杂度。

　　2光栅数字细分原理

　　利用光栅器件进行位移测量时,光栅运动部件移动一个栅距,输出一个周期的正弦信号。普通模拟光栅同时输出两路相位差90度的正弦信号(以下简称Sin信号和Cos信号),经过信号调理电路后,得到两路相位差90度的方波信号。对方波边缘进行计数,光栅运动部件移动一个栅距可以得到4个计数。对于50线/mm光栅传感器而言,每个计数当量为5um。这样细分后的精度在高精度测量中满足不了要求,因此需要对光栅器件进行进一步的细分。

　　光栅细分的基本思想是将Sin信号和Cos信号按不同比例相加,得到不同相移的多路正弦波信号。对这些正弦信号进行调理可以得到不同相移的多路方波输出,提取方波的边缘并进行计数,即可实现光栅细分。传统的光栅细分实现方法主要有两种:一是利用移相电阻链和电压比较器的模拟电路结构来实现输出一组移相方波,通过对这些不同相位方波的边缘进行计数实现高分辨率的细分。另外一种就是利用 CPU 实现高分辨率数字细,这种细分的思路是通过对Sin信号和Cos信号进行计算得到一个正弦信号大周期里的细分点对应相位角的反正切值从而得到大周期的小细分位移量完成细分。

　　方法一在利用传统移相电阻链和电压比较器的结构实现光栅的高分辨率细分时,如果采用等值电阻链结构,不能实现精确的等相位距移相。采用不等值电阻链结构时,电阻的种类和电压比较器的数量又会相应的急剧增加。因此在高分辨细分要求下, 使用移相电阻链、电压比较器结构将会使整个电路不便于维护,适应不了复杂的应用场合。方法二在实现光栅细分时无法直接出不同相位的方波,这在需要方波驱动的设备上比如PLC控制器就显得不够灵活。

　　鉴于此,文中借鉴这两种方法的优点,提出一种新型的光栅数字细分方法。该方法采用数字等相位距移相法,即用 FPGA 和AD模数转换器件替代传统移相电阻链和电压比较器,光栅传感器输出的正余弦电信号经过AD模数转换器件采样,将采样值送到FPGA里按设定比例相加减后与设定电平阈值比较,得到不同相位的方波。这些移相方波之间的相位间距可以做到很精确,因为Sin信号和Cos信号相加后得到相位偏移的Sin信号,过程如下: