一种基于DSP的光栅细分器制造技术

一种基于ＤＳＰ的光栅细分器属于精密测量领域。现有单片机细分装置处理速度慢、采样精度低，不能满足光栅高精度的测量要求。本实用新型专利技术包括滤波放大电路、比较电路、触发电路和ＤＳＰ器；滤波放大电路中的差分运算放大器（Ａ１）、（Ａ２）的输出与比较电路（Ｃ１）、（Ｃ２）的输入相连，比较电路（Ｃ１）、（Ｃ２）的输出与ＤＳＰ处理器的脉冲输入相连；滤波放大电路中的差分运算放大器（Ａ１）、（Ａ２）的输出与ＤＳＰ处理器的模数转换端相连；差分运算放大器（Ａ３）的输出与比较电路（Ｃ３）的输入相连，比较电路（Ｃ３）的输出与触发电路相连，触发电路的输出端与ＤＳＰ处理器的脉冲输入、模数转换中断口相连。本实用新型专利技术模数转换的采样精度为１２位，可以对光栅进行４０９６细分，提高了光栅的分辨率和测量精度。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于精密测量
技术背景光栅作为精密测量的一种工具，已在精密仪器、坐标测量机、高精度精 密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技术是以光栅形成的莫尔条纹为 基础的。由于两块叠放在一起的光栅的相对移动，所以会产生与之同步移动 的莫尔条纹信号。光栅盘上黑白刻线的相对移动，会产生光强度周期性的变 化，此光信号经光电转换成为周期性的电信号，对此电信号进行一系列处理， 即可获得光栅相对移动的位移量。通过对莫尔条纹的进一步细分，光栅测量可以获得更高的精度。莫尔条 纹细分方法有光学细分法、机械细分法和电子学细分法。所谓电子学细分， 是把周期性变化的莫尔条纹信号，经光电转换和信号处理后，得到较理想的 正弦信号，用电子学的方法对正弦波形再进行细分。传统的电子学细分多通过硬件电路实现，如直接细分法，其电路简单， 对信号无严格要求，可用于动态和静态测量，但细分数不高；幅值分割法， 精度较高，信号波形与幅值变化对精度影响较小，细分数较大，也可用于动 态和静态测量，但电路较复杂，用纯硬件来实现细分非常困难。近几年，电子学细分多采用信号调理电路和单片机相结合的办法，称之 为单片机细分。单片机细分装置由前置放大器、采样/保持电路、多路开关、 模数转换器和单片机处理系统等组成。其电路如图l所示。经差分放大后的两 路正交莫尔条纹信号，由单片机控制采样/保持电路对其进行采样，并由软件 控制多路开关分别对两路信号进行模数转换，输出的数字量送给单片机进行 处理，单片机根据两路正交莫尔条纹信号的幅度和相位的关系，计算出细分常数，并给出测量结果。单片机细分装置由于具有工作可靠、电路简单等优 点，当前已经普遍被人们所采用，但由于受到模数转换精度和速率的限制， 单片机细分位数和分辨率不高。此外，原始信号质量不好也会降低整个系统 的细分精度。这样在某些需要对莫尔条纹信号进行高精度、高分辨率细分的 场合，单片机细分装置仍然不能满足要求。
技术实现思路
随着科学技术的发展，对光栅测量的精度提出了更高的要求。本技术提出了一种基于DSP的光栅细分器，借助于DSP及外围电路，实现了对莫尔 条纹的放大整形，以及数字化细分和计算等。本技术解决了单片机细分 方法采样精度不高，算法处理速度慢的问题，改善了原始莫尔条纹信号的质 量，简化了电路结构，获得了较高的细分数，进而提高光栅测量系统的精度 和分辨率。本技术如图2所示，它包括滤波放大电路、比较电路、触发电路和DSP 器；滤波放大电路中的差分运算放大器A1、 A2的输出与比较电路Q、 C2的输 入相连，比较电路C1、 C2的输出与DSP处理器的脉冲输入相连；滤波放大电路 中的差分运算放大器A1、 A2的输出与DSP处理器的模数转换端相连；差分运算 放大器A3的输出与比较电路C3的输入相连，比较电路C3的输出与触发电路相 连，触发电路的输出端与DSP处理器的脉冲输入、模数转换中断口相连。本技术的工作过程四相交变的莫尔条纹信号Sin6 、 Cos9、 -Sin 9、 -Cose，经滤波放大电路中的差分放大电路A1、 A2放大，得到一组正交 的信号ASin 6和ACos e ，这两路信号一方面送到DSP的模数采样端，利用DSP 的同步采集模式，实现对两路正交信号的同步采集； 一方面接后续的比较电 路进行整形。该电路既增加了信号的幅度，又消除原始莫尔条纹信号中所含 的直流电平和偶次谐波。滤波放大电路的输出是带有移动量信息的正弦波信 号，为实现后续的数字化分析处理，采用了比较器把正弦波转换为方波，然 后接DSP的脉冲输入端。同时，零位信号经滤波放大电路和比较电路，输出方 波信号，与DSP的输出信号进行逻辑处理后，连接DSP的脉冲输入端和模数转 换中断端口。其中，DSP输出的两路信号一路用于零位信号采集的触发， 一路 用于方波信号与模拟量信号采集的同步。然后，DSP处理系统对光栅信号进行 细分处理，处理过程分为两部分，其一，利用脉冲输入信号由DSP实现信号计 数，光栅移动方向的判断，并计算出光栅整数周期位移值；其二，采用软件 算法对莫尔条纹信号进行数字细分和计算等，获得不足一个周期信号的小数 值，并结合周期位移值，计算出最后的测量值。本技术应用到光栅测量系统中，具有如下优点1、 DSP处理系统运算速度快，处理能力强，加快了模数转换处理速度和 程序算法的运算速度；改变了单片机导致的模数转换时间长和运算速度慢的 缺陷。2、 在实际应用中由于光栅本身的分辨率有限，因而后继的细分系统需达 到几百或上千以上，才能够实现高精度测量。按照细分系统误差传递的原理，光栅系统的测量误差会成倍地传递到测量值，造成真实信号完全淹没。其结 果是虽然分辨率计算值已经达到高精度级，但细分误差远超出了一个细分当 量值，从而失去了实际精度意义。本技术对光栅采用数字化处理法取代 传统的模拟滤波、模拟细分等模拟环节，可以确保光栅测量系统的细分精度; 数字滤波和软件误差补偿，代替了以前模拟信号处理的复杂电路；3、采用DSP处理系统，简化了电路结构，根据具体应用，只需要修改软 件即可适应新的需求，提高了该细分电路的通用性。附图说明图1是己有技术单片机细分电路原理图 图2是本技术一个实施例的电路原理图 图3是本技术一个实施例的具体电路图具体实施方式本技术的实施例如图3所示滤波放大电路采用了三个差分放大电 路RC4157对原始信号进行差分放大和滤波，该放大电路具有很高的带宽和转 换速率，可以满足较高频率信号的要求。比较电路采用了三个低功耗比较器 CMP401，它的延迟时间仅为17ns，增加了方波上升沿和下降沿陡度，改善了 方波质量。触发电路采用了四与非门74HC00，通过与DSP信号输出信号的逻 辑处理，为DSP提供了中断触发信号。DSP系统的核心是TMS320F2812，并加 以外围电路，包括DC/DC转换模块IS05A15、 TPS73HD310、 TPS73HD318，数据 存贮器IS61LV25616， EEPROM 24C16以及JTAG接口 。 TMS320F2812是TI公司 最新推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数 字信号处理器。与以往同系列的DSP相比，该数字信号处理器提高了计算的 精度(32位)和系统的处理能力(达到150MIPS)。 16通道高性能12位模数 转换单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。综上所述，基于DSP的光栅细分器，首先将原始信号进行放大整形处理， 再由DSP利用软件算法对采样信号进行细分，DSP的模数转换的采样精度可达 12位，因此可以对光栅进行4096细分，极大的提高了光栅的分辨率。权利要求1、一种基于DSP的光栅细分器，其特征在于，它包括滤波放大电路、比较电路、触发电路和DSP器；滤波放大电路中的差分运算放大器(A1)、(A2)的输出与比较电路(C1)、(C2)的输入相连，比较电路(C1)、(C2)的输出与DSP处理器的脉冲输入相连；滤波放大电路中的差分运算放大器(A1)、(A2)的输出与DSP处理器的模数转换端相连；差分运算放大器(A3)的输出与比较电路(C3)的输入相连，比较电路(C3)的输出与触发电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＤＳＰ的光栅细分器，其特征在于，它包括滤波放大电路、比较电路、触发电路和ＤＳＰ器；滤波放大电路中的差分运算放大器（Ａ１）、（Ａ２）的输出与比较电路（Ｃ１）、（Ｃ２）的输入相连，比较电路（Ｃ１）、（Ｃ２）的输出与ＤＳＰ处理器的脉冲输入相连；滤波放大电路中的差分运算放大器（Ａ１）、（Ａ２）的输出与ＤＳＰ处理器的模数转换端相连；差分运算放大器（Ａ３）的输出与比较电路（Ｃ３）的输入相连，比较电路（Ｃ３）的输出与触发电路相连，触发电路的输出端与ＤＳＰ处理器的脉冲输入、模数转换中断口相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建武，李屹，贺传敏，郑刚，王智泉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]