于 耕，马晓梅，郭华鹏

（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136）

圆光栅测角系统是一种精密的测角系统，主要应用在雷达、航空、自动化仪表、精密仪器、机器人等领域，具有体积小、测量范围大、精度高等特点。圆光栅码盘是现代精密圆光栅测角系统中，广泛使用的一种角度传感器，它是以光栅相对位移所形成的莫尔条纹信号为基础，由于光栅的相对移动，使透射光的光强度呈周期性变化，这种光强信号经光电变换形成周期性变化的电信号（正余弦波信号），对此信号进行相应处理后，即可获得光栅的相对移动量。在测量精度不高的情况下，只需对此信号变化的周期进行计数，即可求得光栅的相对移动量。但是，随着科学技术的发展，仅对此信号的周期进行计数无法满足航空航天、机器人控制等领域精确测量的需要。当前工程上希望在尽可能小的误差范围内精确地实现对圆光栅测角系统信号进行高倍数字化细分。文中正是基于此目的设计了含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰4个轴系的角度位置的圆光栅角度测量系统，同时阐述了圆光栅测量原理，设计了圆光栅测角信号移相电阻链细分电路，将测得的原始的光栅正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分，具有良好的动态特性，应用广泛。

1 圆光栅角度测量系统

文中设计的圆光栅角度测量系统含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰共四个圆光栅传感器，它们被用来测量4个轴系的角度位置。圆光栅传感器的光栅信号经细分计数电路板细分和计数后，以16 bits的总线方式输出。

如图1所示，四路圆光栅测角系统中大俯仰、小方位、小俯仰还在光栅传感器上制作了正、反向光电限位开关。

图1 4路圆光栅测角系统原理框图Fig.1 Principle diagram of the four ways of gratings angle measuring system

4个圆光栅传感器的正余弦波光栅信号输入到细分计数板，4个独立的移相电阻链细分电路对光栅信号进行移相细分，并通过电压比较器而形成TTL方波信号，计数电路对细分后的光栅信号计数。同时零位信号将对计数器清零。

总线接口电路并行同步锁存5个16 bits的光栅位置数据及正、反限位状态。5个选通信号将分别读出5个16 bits的锁存器数据。

该圆光栅角度测量系统技术参数包括：测量范围、光电限位范围等，如表1所示。

表1 圆光栅角度测量系统技术参数Tab.1 Technology parameters gratings angle measurement system

2 圆光栅传感器测量原理

圆光栅传感器主要由圆光栅、相位光栅、发光管、准直镜及探测器组成，如图2所示。

图2 圆光栅传感器Fig.2 Round grating sensor

其中圆光栅是一块儿圆形的铬层光学玻璃，在靠近其外圈的刻度线上，利用腐蚀等方法刻划出周期性的扇形透光窗口。每一个透光和不透光的扇形图案称为一个刻划周期T，每一圈中的刻划周期数又称为线对数。例如一个线对数为360的圆光栅，其刻划周期数是一度。一般来说透光和不透光的扇形图案的占空比为1:1。圆光栅的线对数越大，要求其直径也就越大，则其测角分辨率也就越高。同时，要求其旋转的安装轴系的精度也就越高，才能相应提高其测角精度。

相位光栅也是一块儿刻划有与圆光栅相同刻划半径和相同刻划周期图案的铬层光学玻璃，其二组光栅图案错开1/4个刻划周期，这样便可以判别圆光栅的旋转方向。

发光管发出的光，经准直镜后称为平行光束，平行光束透过刻划面相隔很近的圆光栅和相位光栅后，被光电探测器接收，并转换为电信号。两个探测器分别对准相位错开1/4刻划周期的两组光栅窗，每个探测器可以覆盖多个光栅周期。这样，当圆光栅相对于相位光栅运动时，就可以得到相位差90°（1/4T）的两路正弦波光栅信号。另外，如果在圆光栅和相位光栅上设计一组零位编码窗，便可在圆光栅每转动一圈得到一个确定圆光栅的绝对角位置的零位信号。

3 圆光栅测角信号细分电路

为提高测角分辨率和测角精度，可对原始的光栅信号进行电子细分。在某专用圆光栅测角系统中，多采用移相电阻链及方波四倍频的方法来达到对光栅信号的20倍细分。

3.1 移相电阻链细分电路及原理

测角电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对角度的测量，若单纯对信号的周期进行计数，则测角仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的转动角度量。为提高测角仪器的分辨力，应使用细分电路对信号进行最大限度的细分，从而生成具有不同相位的多个信号。将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的节点上可得到相位各不相同的电信号。这些信号经整形，脉冲形成后，就能在余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分。

电阻链五倍频细分电路如图3所示。

整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路3大部分组成 。

电阻移相网络在第1、2象限内给出的移相角为 10路移相信号，移相电阻的取值首先应满足式：φ=arctg（R1/R2），并尽可能兼顾到电阻系列的标称阻值。

电压比较器将10路移相信号与参考电平UR相比较，将正弦信号转化为方波信号。电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。

从比较器得到的10路方波信号再经过异或门逻辑组合电路，在3′和4′端获得两路相位差为90°的五倍频方波信号，图7为逻辑电路的工作波形。

电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。

3.2 原理分析

设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压 u1、u2，其中，u1=Esinwt，u2=Ecoswt。 如图 4 所示。

输出电压的幅值与相位都与R1和R2的比值有关。不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。

应用叠加原理求出电阻链接点处输出电压为：

图3 电阻链五倍频细分电路Fig.3 Resistance chain five times frequency subdivision circuit

图4 矢量图Fig.4 Vector diagram

o

om

1

输出电压 uo可写作:uO=uomsin（wt+φ）

改变R1和R2的比值，可以改变j，也就改变了输出电压的相位。电阻比的改变也改变了输出电压幅值uom；矢量uo的终点沿直线运动；j=45°时，uom有最小值。

j=0°～90°第一象限的情况如此。 电路两端若接 cosωt和-sinωt，可以得到第二象限各相输出电压；接-cosωt和-sinωt，可以得到第三象限各相输出电压；接-cosωt和 sinωt，可以得到第四象限各相输出电压。不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。

4 结束语

图5 逻辑电路的工作波形Fig.5 Waveform of logic circuit

文中设计了由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三大部分组成的圆光栅测角信号移相电阻链细分电路，对含有大方位、大俯仰、小方位、小俯仰4个轴系的角度位置的圆光栅角度测量系统进行角度测量。将测得的原始的光栅正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分，提高测角分辨率和测角精度。

[1]张立，林玉池.光栅回转式压电微角度执行器的研究[J].传感器与微系统，2010，29（1）:58-61.ZHANG Li，LIN Yu-chi.Research on circular grating rotary piezoelectric Micro-angleactuator[J]. Transducer and Microsystem Technologies，2010，29（1）:58-61.

[2]鲜立刚，刘玉成.高精度角度的测试[J].计量与测试技术，2010，37（12）:29-30.XUAN Li-gang，LIU Yu-cheng.High precision angle of testing[J].Metrology and Measurement Technique，2010，37（12）:29-30.

[3]蒋丽雁，于连栋.基于FPGA的光栅信号处理电路设计[J].工具技术，2010，44（5）:100-102.JIANG Li-yan，YU Lian-dong.Circuit design of grating signal processing based on FPGA[J].Tool Engineering，2010，44（5）:100-102.

[4]杨军平，吴欣慧.基于CMOS图像光栅传感器的位移测量系统的实现[J].机械与电子，2010，45（5）:490-491.YANG Jun-ping，WU Xin-hui.The design of displeasement measurement system based on CMOS image sensors in grating sensors[J].Machinery and Electronics，2010，45（5）:490-491.

[5]Pozzi M，King T.Piezo electric actuatorsin micropositioning[J].Engineering Scienceand Education Journal，2001，10 （1）:31-36.

[6]何勇，范永坤，王涛，等.基于FPGA的增量式光电编码器计数电路设计[J].仪器仪表用户，2008，38（3）:91-92.HE Yong，FAN Yong-kun，WANG Tao，et al.Design of the circuit of couting for incremental eneoder based on FPGA[J].Instrument Application，2008，38（3）:91-92.

[7]EberhartRC， SHIY.Particleswarmoptim-ization:developments，applications and resources[J].Congress on Evolutionary Computation，2001，56（8）:81-86.

[8]李怀琼，陈钱.新型光栅信号数字细分技术及其误差分析[J].计量学报，2001，22（4）:281-283.LI Huai-qiong，CHEN Qian.A new digitalsubdividing technique for grating signal and its error analysis[J].Acar Metrologica Sinica，2001，22（4）:281-283.