基于NiosII的光栅细分电路系统设计

2010-07-02 18:36:27来源: 重庆大学 关键字:光栅位移传感器  莫尔条纹  NiosII  FPGA  插值  芯片

1 概述

  目前,光栅的电子细分技术是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径,可分为软件细分法和硬件细分法。软件细分法虽然可以达到较高的细分数,但由于受到A/D器件转换精度和转换时间的限制,一定程度上影响了测量的实时性。硬件细分法一般用在细分数不太高的场合,而且随着细分数的提高,电路会变得更加复杂。本文使用专用插值芯片(IC-NV)对前端输出的正交信号进行插值细分,利用FPGA对插值细分后的信号进行二次细分;同时利用QuartusII中的Component Editor工具设计了二次细分辨向组件、测速组件及LCD控制组件,并通过Avalon总线NiosII软核处理器进行连接,实现了系统的集成和模块化。

2 莫尔条纹及四倍频直接细分的原理

  莫尔条纹的电子细分是提高光栅位移传感器分辨率的主要途径之一。莫尔条纹是光栅位移传感器工作的基础。莫尔条纹间距近似为光栅栅距的1/θ倍(θ为主副光栅之间的夹角),并且方向近似与栅线方向垂直。当其中任一光栅沿垂直于刻线方向移动一个栅距时,莫尔条纹就在栅线方向上移动条纹间距,因此可以通过检测莫尔条纹的移动来计算指示光栅移动的距离。

  对于横向莫尔条纹,为了判定指示光栅的位移方向进行可逆计数以及削弱直流电平漂移对测量精度的影响,可在一个莫尔条纹内等距放置4个光电收发元件。当条纹依次扫过这4个光电收发元件时,便会产生4路相位分别为0°、90°、180°、270°的信号,通过运放差动放大电路即可实现四细分。但是,实际应用中要实现4个光电收发元件的等距排列是非常困难的。目前,大多数的光栅位移传感器都采用光闸莫尔条纹来实现四细分,如图1所示。


  光闸式光栅副的指示光栅上刻有4个裂相窗口,各个窗口内栅线与主光栅一致,且相邻两个窗口之间依次间隔(n+1/4)d。其中,d为栅距(这里为20μm),n为整数。这样,当0°窗口的栅线与主光栅完全重叠时,窗口最亮,形成亮带;180°窗口的栅线与主光栅栅线互相遮挡,形成暗带;90°和270°窗口的栅线缝隙被遮挡一半,处于半明半暗状态。因此,当移动指示光栅时,4个窗口内的光强依次呈现周期性的变化。在窗口区域安放光电收发元件对光强进行检测,便可得到依次相差π/2的4路正弦波信号。

3 光栅信号的产生及差值的实现

  3.1 系统总体方案计

  系统原理框图如图2所示。光电转换后输出的4路相差90°的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,得到相位相差90°的正交信号sinθ/cosθ。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,便可送人FPGA进行二次细分辨向、测速和数字显示工作。


  3.2 光电转换及前置放大电路

  光电二极管的光电流一般为μA级别,而放大电路中反馈电阻一般采用MΩ量级的电阻。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。本文选用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,25°时的典型输人偏置电流为60 pA,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;但要以牺牲线性为代价,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3采用反向并接光电二级管的方式。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输入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2.5 V,同时通过调节反馈电阻使输出电压的峰峰值为1 V。


  3.3  低通滤波器的设计

  由于目前光栅的移动速度多在120 m/min,最大不超过600 m/min,且光栅栅距为20 μm时输出的正交信号的频率不超过500 kHz。因此,选定低通滤波器的截止频率为fc=500 kHz,通带增益K=1。具体设计电路如图4所示。


  3.4  差值电路的实现

  IC-NV是IC-HAUS公司的单片A/D转换芯片,能够对输入的sinθ/cosθ信号进行插值,从而输出增量的正交编码信号。IC-NV芯片的内部结构外围电路如图5所示。其内部集成了高速的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,且与TTL、CMOS电平兼容,接口简单可靠。

[1] [2] [3]

关键字:光栅位移传感器  莫尔条纹  NiosII  FPGA  插值  芯片

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2010/0702/article_2727.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:视而不见?NEC开发出可隐藏特定影像的高速处理技术
下一篇:NiosII的I2C控制IP及其在成像系统中的应用

论坛活动 E手掌握
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
光栅位移传感器
莫尔条纹
NiosII
FPGA
插值
芯片

小广播

独家专题更多

迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 视频监控 智能卡 防盗报警 智能管理 处理器 传感器 其他技术 综合资讯 安防论坛

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved