光栅位移传感器中四倍频细分电路模块的设计与仿真研究

光栅位移传感器是基于莫尔条纹测量的一种传感器，要提高其测量分辨率，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节．在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度．四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，使传感器整体性能下降．作者在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的四倍频电路实现方案，并对这两种方案的结构和使用方法进行了比较和仿真．

1 四倍频电路设计原理

光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B.如图l所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数．

光栅信号A，B有以下关系．

①当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：00→10→11→01→00．这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数．

②当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：00→01→11→10→00．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转

状态的四倍频计数．

③当线路受到干扰或出现故障时，可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作．

综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图（见图2），其中“+”、“-”分别表示计数器加／减1，“0”表示计数器不动作．

2 传统模拟细分电路

传统的倍频计数电路如图3所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路3部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器LM339组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管Ta和Tb上，它们输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，从LM339输出电压信号Ua，Ub整形后送到辨向电路中．芯片7495的数据输入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脉冲由单片机的ALE端提供．然后信号经过与门Y1，Y2和或门E1，E2，E3组成的电路后，送到由2片74193串联组成的8位计数器．单片机通过P1口接收74193输出的8位数据，从而得到光栅的位置．

采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降．

3 基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计

采用CPLD实现光栅传感器信号的处理示意图如图4所示，即将图3中3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片CPLD芯片中，实现高集成化。由于工作现场的干扰信号使得光栅尺输出波形失真，所以将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入CPLD，由CPLD对脉冲信号计数和判向，并将数据送入内部寄存器．

3．1 CPLD芯片的选择

CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX7000系列产品EPM7128S，该芯片具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点，可用门单元为2 500个，管脚间最大延迟为5μs工作电压为+5 V.仿真平台采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ进行开发设计．

3．2 四细分与辨向电路

四细分与辨向模块逻辑电路如图5所示，采用10MB晶振产生全局时钟CLK，假设信号A超前于B时代表指示光栅朝某一方向移动，A滞后于B时表示光栅的反方向移动．A，B信号分别经第一级D触发器后变为A＇，B＇信号，再经过第二级D触发器后变为A″，B″信号．D触发器对信号进行整形，消除了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A，B，因而提高了系统的抗干扰性能．在四倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑器件对A＇A″，B＇B″信号进行逻辑组合得到两路输出脉冲：当A超前于B时，ADD为加计数脉冲，MIMUS保持高电平；反之，当A滞后于B时，ADD保持高电平，MINUS为减计数脉冲．

对比图5和图2可以看出，新型设计方法使用的器件数较传统方法大大减少，所以模块功耗显著降低。系统布线在芯片内部实现，抗干扰性强。由于采用的是可编程逻辑器件，对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可，不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板，使得系统的升级和维护的便捷性大大提高。

4 四倍频细分电路模块的仿真

根据图2所示的状态转换图，利用硬件描述语言Verilog HDL描述该电路功能，编程思想为将A，B某一时刻的信号值的状态合并为状态的判断标志state，并放入寄存器prestate．当A，B任一状态发生变化时，state值即发生改变，将此时的state值与上一时刻的prestate进行比较，则能根据A，B两个脉冲的状态相对变化确定计数值db的加减，得出计数器输出值的加减标志．

仿真结果如图6所示．当信号A上跳沿超前于B时，计数值db进行正向计数；当A上跳沿滞后于B时，计数值db进行反向计数．即db将细分、辨向、计数集于一身，较好地实现了光栅细分功能．

比较图3和图5可以看出，用FPGA设计信号处理模块，设计过程和电路结构更加简洁。另外，在应用中需注意FPGA时钟周期应小于光栅信号脉冲的1／4.

5 结论

①新型设计方法结构简单，集成度高，比传统设计方法所用器件数大大减少．

②集成化设计使系统功耗降低，抗干扰性增强．

③用Verilog HDL设计电路，改变电路结构只需修改程序即可，且系统维护和升级的便捷性提高．