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光栅传感器信号细分中绝对值电路的设计

发布时间:2020-05-27 发布时间:
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    为了达到较高的细分倍数,在对光栅莫尔条纹信号进行粗细分的同时,还需要对位移进行精细分。为提高细分速度,精细分电路采用全硬件设计,包括绝对值电路,多路选择电路及A/D采样电路。绝对值电路是模拟电路中处理数据信息的一种电路,在各类电子测电路中有着广泛的应用。尤其在对正弦信号进行数字化幅值测量时,采用绝对值电路可以将双极性信号转换为单极性信号,便于计算机采集处理时去掉符号位,提高模数转换的精度。所以绝对值电路精确与否,对后续的信号处理电路有着重要的影响。然而,在实际使用中,由于二极管压降的存在,信号频率的不同,以及元器件参数误差等因素的影响,绝对值电路的输出往往不够理想,有时甚至严重失真,将在一定范围内影响测量精度。为此,本文着将重探讨几种不同的绝对值电路,以确定出符合要求的最佳电路。

1 三种绝对值电路的设计方案
1.1 电路设计一
    资料上如图1所示的绝对值电路较为常见。分析电路可知,当Vin>0时,D1截止,D2导通,输入信号Vin通过第一级运放U1A反相放大,之后再与Vin一起进入后一级运放U1B构成反相加法器,根据电阻匹配关系,最后输出为Vout=Vin;当Vin<0时,D1导通,D2截止,此时运放U1A处于深度负反馈状态,所以输入信号Vin直接经过运放U1B反相后,得到输出Vout=-Vin。


    在实际电路中,由于电源存在耦合干抗,零电位产生漂移,加之二极管并非理想状态,导通时存在一定压降,该绝对值电路效果往往不够理想。特别是当输入信号频率较高时,在过零点处会产生明显的失真,从而给信号的后续处理带来极大的不便。


    图2是当信号频率为4 kHz时的输出波形图,由图可知,在过零点处,幅值误差为△U=40 mV,假设精细分电路对信号进行256细分,信号幅值为0.5 V。由于光栅尺移动一个栅距位移为0.02mm,则所允许的误差δ应小于0.02 mmx1/4x1/256=0.019 5 μm,而当△U=40 mV时,误差δ=0.02mmx1/4x1/256x(256x0.04V/0.5V)=0.000 4 μm,明显超出了测量误差所允许的范围。[page]

1.2 电路设计二
    图3为改进后的绝对值电路,该电路在电源端分别接一个0.1μF的电容去耦;在运放的同相输入端采用图中电路结构,不仅可以通过调节电位器使零电位趋于稳定,抑制零点漂移,还能对波形的衔接处进行调整;当信号频率增大时,运放芯片会使信号产生一定的延迟,即相位发生偏移,而图中电容C1与电阻构成的电路会引起反相延迟,从而能对信号相位进行校正。


    当输入信号频率为8 kHz时,输出波形图如图4所示。


    当信号频率增大到一定值时,电路二的输出同样会出现失真。例如,当输入信号频率为10kHz时,其输出波形如图5所示。由波形图可知,信号在过零点处的误差达到了约80 mV,显然不合要求。

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1.3 电路设计三
    由于光栅尺输出信号的频率最高能达到20 kHz以上,且随着光栅尺移动速度的不同,信号频率变化也较大,因此要求绝对值电路能对高频信号进行精确处理,并能在动态条件下稳定工作。第二种电路虽然在结构上有所改进,但对高频信号的处理效果仍不理想,如图5所示,不能达到所需要求,而图6所示的第三种绝对值电路可以很好地解决这一问题。


    与之前电路相比,该电路在电源去耦,滤波处理,以及各元器件型号和参数的选择上都有较大的改进。另外,为减小差动放大器上来的信号源电阻,在二极管D1、D2的输出上附加470 Ω的分流电阻。在高频信号输入以及高速化的工作条件下,该电路能对信号进行较好地处理,使输出信号的幅值衰减很小,且过零点处信号基本无偏差。
    当输出信号频率为25 kHz时,该电路的输出波形图如下:



2 结论

    由于光栅尺移动时输出信号的频率大约在5~25 kHz之间,且后续电路要求信号基本稳定,无振荡,因此该绝对值电路应满足以下条件:1)能够在较高频率下正常工作;2)适用于高速化的场合;3)精度较高,信号基本无失真。要保证测量误差在允许范围之内,信号在经过绝对值电路后必须高度保真。通过上述电路分析和比较,综合各种因素可知,第三种绝对值电路应是最佳的选择。

 


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