传感技术作业new

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1、计量光栅软硬件细分姓名：蔡竞霄学号：0842051170硬件细分一、系统总体方案设计系统原理框图如图所示。光电转换后输出的4路相差正余弦电流信号经过2个前置差分放大器处理后，转换为电压信号并且消除了直流电平，得到相差的正交信号。为了消除正交信号中掺杂的噪声信号，设计了有源二阶巴特沃斯低通滤波器。滤波后的信号经过插值专用芯片IC-NV后，便可送入FPGA进行二次细分辨向、测速和数字显示工作。系统原理框图二、光电转换及前置放大电路光电二极管的光电流一般为uA级别，而放大电路中反馈电阻一般采用量级的电

2、阻。因此，运放的输入偏置电流的影响不能忽略，要选用输入偏置电流小的FET输入型运算放大器。本次选用TI公司的4路LinCMOS运放TLC279CN。它具有输入失调电压低、输入电阻高、噪声低的特点，时的典型输入偏置电流为60pA，远小于光电二极管的光电流。光电二极管可以工作在零偏置或反向偏置方式。在反向偏置方式下，光电二极管可以实现较高的切换速度；但要牺牲线性为代价，并且在无光条件下仍有很小的电流，称为“暗电流”。零偏置电路受暗电流的影响较小，对于微小照度，可以保持照度与输出成线性比例关系。图中采

3、用反向并接光电二极管的方式。该方式可以有效地削弱直流电平和偶次谐波。由于后端插值芯片单端输入时对信号直流电平和峰峰值有限制，因此在正相输入端设置可变电阻调节输出的直流电平至2.5V，同时通过调节反馈电阻使输出电压的峰峰值为1V。反向并接光电二极管的方式三、低通滤波器的设计由于目前光栅的移动速度多在120m/min，最大不超过600m/min，且光栅栅距为20um时输出的正交信号频率不拆过500kHz。因此，选定低通滤波器的截止频率为=500kHz，通带增益K=1。具体设计电路如图所示。低通滤波器

4、设计电路四、插值电路的实现IC-NV是IC-HAUS公司的单片A/D转换芯片，能够对输入的信号进行插值，从而输出增量的正交编码信号。IC-NV芯片内部结构及外围电路如图所示。其内部集成了高速比较器和毛刺滤波器，以保证信号的高速转换和完整性；输入/输出引脚具有ESD防护，并且与TTL、CMOS电平兼容，接口简单可靠。芯片内部结构及外围电路信号首先进入芯片内部的前置仪表放大器。其增益取决于输入信号电平及SG0、SG1引脚的状态。通过将SG0、SG1置为高、低电平或开路来选择不同的增益值、以适应峰峰值

5、为20mV～1.3V的差分信号输入（单端信号峰峰值可达2.6V）。本系统中和信号使用单端输入方式，峰峰值为2V，直流偏置为2.5V。因此在使用时需将NS和NC引脚与VREF（2.5V）相连，以消除直流偏置。前置仪表放大器输出的信号经过高速转换核心和转换间距控制单元后进入后端信号处理单元。该单元更具不同的插值因子（InterpolationFactor，IPF）输出相应的方波信号。9种不同的插值因子可以通过SF0和SF1引脚来配置，最高可以实现每个输入信号周期的64倍细分。软件细分一、概述计量光栅

6、由主光栅和指标光栅所组成，当与被测物体连接的主光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹。通过检测掠过光电元件的莫尔条纹的数量和方向即可以得到位移量或转角大小以及他们的方向信息。在实际测量中，用计数器对1个莫尔条纹周期内出现的计数脉冲进行计数，经处理后得出位移量。为提高测量精度和分辨率，常在莫尔条纹信号的一个周期内，均匀地给出若干个计数脉冲，即细分技术。本次所述的4倍频细分。即是在莫尔条纹信号1个周期内产生4个有效计数脉冲，从而使分辨

7、率提高4倍。测量处理系统框图如图所示。光栅传感器用来处理光电器件接收到的莫尔条纹信号，FPGA逻辑器件用来进行辨向细分并进行可逆计数，计数器计数的结果经后续电路处理后得到位移量。测量系统处理框图二、信号拾取及预处理为了实现4倍频细分，我们采用2个光电器件来接受莫尔条纹信号。这2个光电器件的位置关系如图中1、2所示。其中摩尔条文为明暗交替渐变的一组条文（图中仅画出3条），光电器件1和光电器件2相聚1/4莫尔条纹周期放置。这样当主光栅左移或右移时而引起莫尔条纹上移或下移时，掠过两个光电器件的光强就会

8、按不同的明暗过渡规律变化。设主光栅右移，则可以得到两个光电器件上光强信号变化波形为近似正弦的波形，如图所示的信号和信号。为了在可编程逻辑中进行细分处理，对信号和信号进行如图所示的一系列处理而得到A、B、C、D4个信号，作为FPGA器件部分的输入信号。至此，信号预处理部分结束。三、细分逻辑与可逆计数细分逻辑部分完成的任务是在一个莫尔条纹周期内产生4个有效计数脉冲。根据以上分析，将A、B、C、D4个信号作为FPGA器件细分逻辑的输入信号，细分逻辑采用的FPGA期间可以是EPF10K10、EPF10K