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1 光柵位移傳感器測量原理
將光源、兩塊長光柵（指示光柵和標(biāo)尺光柵）、光電檢測器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣就可以實現(xiàn)位移信號到電信號的轉(zhuǎn)換。目前使用的光柵尺的輸出信號主要有2類：一類是相位角相差90°的2路方波信號，另一類是相位依次相差90°的4路正弦信號。
本文針對輸出正弦波的傳感器進行了討論，對于輸出為正弦信號的光柵尺，需要對輸出信號進行整形。光柵尺的輸出信號經(jīng)過整形后如圖1所示。
將光柵尺輸出的信號進行細(xì)分，然后辨向，再送入可逆計數(shù)器。由于2路信號周期同為T，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動一個柵距，輸出電信號就變化一個周期，如果能夠把變化的周期數(shù)測量出來，就可以測出相對位移。
2 CPLD的選擇
本設(shè)計中選擇的CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）是Altera公司的EPM 7128SLC84-15，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個引腳，其中5個用于ISP（In System Programmable）下載，可以方便地對其進行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6 000門，其中典型可用門為2 500個，有128個邏輯單元，60個可用I/O口，可以單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個全局時鐘及1個全局使能端和1個全局清除端。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進行仿真、綜合和下載。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號，因此需要對傳感器的輸出信號進行整形處理。本設(shè)計中采用了由運放LM393構(gòu)成的差分放大器，將光柵傳感器輸出的4路信號分別送入2個差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位差為90°，整個系統(tǒng)框圖如圖2所示。
將差分后的信號進行整形得到2路方波信號，得到的方波信號不能直接送入計數(shù)器中，在本設(shè)計中由EPM 7128SIC84-15完成4細(xì)分、辨向、計數(shù)的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個軟件系統(tǒng)。
3.1 數(shù)字濾波電路
通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號雖然經(jīng)過了前級電路的預(yù)處理，但光柵發(fā)生抖動或測頭被沖擊時，仍然會產(chǎn)生噪聲信號，從而影響計數(shù)的準(zhǔn)確性，降低整個測試系統(tǒng)的精度。為了消除噪聲信號，在CPLD內(nèi)部設(shè)計了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動脈沖，防止計數(shù)器誤計數(shù)。圖3是數(shù)字濾波電路圖。
該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號通過時鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號，延遲的時鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號的脈沖寬度有關(guān)，需要通過多次實驗合理選取。
圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號ina或inb出現(xiàn)毛刺時，經(jīng)過數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺。在仿真過程中需要注意的足輸入信號ina和inb與clk之間的頻率設(shè)置，如果設(shè)置不合適，仿真將會失敗。
