[實用新型]一種基于DSP的光柵細分器

無效

• 申請號: 200720173278.4
• 申請日: 2007-09-21
• 公開（公告）號: CN201107044Y
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 楊建武;李屹;賀傳敏;鄭剛;王智泉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01D5/38
• 分類號: G01D5/38
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉萍

技術領域

本實用新型屬于精密測量技術領域。

背景技術

光柵作為精密測量的一種工具，已在精密儀器、坐標測量機、高精度精密加工等領域得到了廣泛的應用。光柵測量技術是以光柵形成的莫爾條紋為基礎的。由于兩塊疊放在一起的光柵的相對移動，所以會產生與之同步移動的莫爾條紋信號。光柵盤上黑白刻線的相對移動，會產生光強度周期性的變化，此光信號經光電轉換成為周期性的電信號，對此電信號進行一系列處理，即可獲得光柵相對移動的位移量。

通過對莫爾條紋的進一步細分，光柵測量可以獲得更高的精度。莫爾條紋細分方法有光學細分法、機械細分法和電子學細分法。所謂電子學細分，是把周期性變化的莫爾條紋信號，經光電轉換和信號處理后，得到較理想的正弦信號，用電子學的方法對正弦波形再進行細分。

傳統的電子學細分多通過硬件電路實現，如直接細分法，其電路簡單，對信號無嚴格要求，可用于動態和靜態測量，但細分數不高；幅值分割法，精度較高，信號波形與幅值變化對精度影響較小，細分數較大，也可用于動態和靜態測量，但電路較復雜，用純硬件來實現細分非常困難。

近幾年，電子學細分多采用信號調理電路和單片機相結合的辦法，稱之為單片機細分。單片機細分裝置由前置放大器、采樣/保持電路、多路開關、模數轉換器和單片機處理系統等組成。其電路如圖1所示。經差分放大后的兩路正交莫爾條紋信號，由單片機控制采樣/保持電路對其進行采樣，并由軟件控制多路開關分別對兩路信號進行模數轉換，輸出的數字量送給單片機進行處理，單片機根據兩路正交莫爾條紋信號的幅度和相位的關系，計算出細分常數，并給出測量結果。單片機細分裝置由于具有工作可靠、電路簡單等優點，當前已經普遍被人們所采用，但由于受到模數轉換精度和速率的限制，單片機細分位數和分辨率不高。此外，原始信號質量不好也會降低整個系統的細分精度。這樣在某些需要對莫爾條紋信號進行高精度、高分辨率細分的場合，單片機細分裝置仍然不能滿足要求。

實用新型內容

隨著科學技術的發展，對光柵測量的精度提出了更高的要求。本實用新型提出了一種基于DSP的光柵細分器，借助于DSP及外圍電路，實現了對莫爾條紋的放大整形，以及數字化細分和計算等。本實用新型解決了單片機細分方法采樣精度不高，算法處理速度慢的問題，改善了原始莫爾條紋信號的質量，簡化了電路結構，獲得了較高的細分數，進而提高光柵測量系統的精度和分辨率。

本實用新型如圖2所示，它包括濾波放大電路、比較電路、觸發電路和DSP器；濾波放大電路中的差分運算放大器A1、A2的輸出與比較電路C1、C2的輸入相連，比較電路C1、C2的輸出與DSP處理器的脈沖輸入相連；濾波放大電路中的差分運算放大器A1、A2的輸出與DSP處理器的模數轉換端相連；差分運算放大器A3的輸出與比較電路C3的輸入相連，比較電路C3的輸出與觸發電路相連，觸發電路的輸出端與DSP處理器的脈沖輸入、模數轉換中斷口相連。

本實用新型的工作過程：四相交變的莫爾條紋信號Sinθ、Cosθ、-Sinθ、-Cosθ，經濾波放大電路中的差分放大電路A1、A2放大，得到一組正交的信號ASinθ和ACosθ，這兩路信號一方面送到DSP的模數采樣端，利用DSP的同步采集模式，實現對兩路正交信號的同步采集；一方面接后續的比較電路進行整形。該電路既增加了信號的幅度，又消除原始莫爾條紋信號中所含的直流電平和偶次諧波。濾波放大電路的輸出是帶有移動量信息的正弦波信號，為實現后續的數字化分析處理，采用了比較器把正弦波轉換為方波，然后接DSP的脈沖輸入端。同時，零位信號經濾波放大電路和比較電路，輸出方波信號，與DSP的輸出信號進行邏輯處理后，連接DSP的脈沖輸入端和模數轉換中斷端口。其中，DSP輸出的兩路信號一路用于零位信號采集的觸發，一路用于方波信號與模擬量信號采集的同步。然后，DSP處理系統對光柵信號進行細分處理，處理過程分為兩部分，其一，利用脈沖輸入信號由DSP實現信號計數，光柵移動方向的判斷，并計算出光柵整數周期位移值；其二，采用軟件算法對莫爾條紋信號進行數字細分和計算等，獲得不足一個周期信號的小數值，并結合周期位移值，計算出最后的測量值。

本實用新型應用到光柵測量系統中，具有如下優點：

1、DSP處理系統運算速度快，處理能力強，加快了模數轉換處理速度和程序算法的運算速度；改變了單片機導致的模數轉換時間長和運算速度慢的缺陷。