基于EPM7128的光栅位移测量仪设计

　　1 光栅位移传感器测量原理

　　将光源、两块长光栅(指示光栅和标尺光栅)、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可以实现位移信号到电信号的转换。目前使用的光栅尺的输出信号主要有2类：一类是相位角相差90°的2路方波信号，另一类是相位依次相差90°的4路正弦信号。

　　本文针对输出正弦波的传感器进行了讨论，对于输出为正弦信号的光栅尺，需要对输出信号进行整形。光栅尺的输出信号经过整形后如图1所示。

　　将光栅尺输出的信号进行细分，然后辨向，再送入可逆计数器。由于2路信号周期同为T，相位相差90 °，光栅尺中的指示光栅每移动一个栅距，输出电信号就变化一个周期，如果能够把变化的周期数测量出来，就可以测出相对位移。

　　2 CPLD的选择

　　本设计中选择的CPLD(复杂可编程逻辑器件)是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工艺，是一种基于EPROM的器件。该芯片有84个引脚，其中5个用于ISP(In System Programmable)下载，可以方便地对其进行在系统编程。此器件内集成了6 000门，其中典型可用门为2 500个，有128个逻辑单元，60个可用I/O口，可以单独配置为输入、输出及双向工作方式，2个全局时钟及1个全局使能端和1个全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多电压工作，其中15代表芯片的速度，该芯片传输延时为7.5 ns，最高工作频率为125 MHz，并支持多种编程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1软件可以方便地进行仿真、综合和下载。

　　3 系统实现

　　本系统中使用的光栅传感器输出的是4路相位差为90°的正弦信号，因此需要对传感器的输出信号进行整形处理。本设计中采用了由运放LM393构成的差分放大器，将光栅传感器输出的4路信号分别送入2个差分放大器的输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为90°，整个系统框图如图2所示。

　　将差分后的信号进行整形得到2路方波信号，得到的方波信号不能直接送入计数器中，在本设计中由EPM 7128SIC84-15完成4细分、辨向、计数的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统。

　　3.1 数字滤波电路

　　通过多次实验发现，光栅传感器输出的信号虽然经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时，仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性，降低整个测试系统的精度。为了消除噪声信号，在CPLD内部设计了一数字滤波电路模块米滤除抖动脉冲，防止计数器误计数。图3是数字滤波电路图。