王骁　程志远　李婕　赵世芳　谭晓明　蒲忠胜

摘 要： 在圆光栅作为分度基准的高精度测量仪器中，测量信号的稳定性直接影响到最终的测量精度。针对实际光栅信号不稳定性产生直流电平漂移的情况，在电子细分的基础上，采用了A/D和D/A转换器实时校正直流电平的方法，解决了实际光栅信号的直流电平漂移影响处理器计数的问题，降低了测量误差。此方法主要由软件编程来实现，硬件电路设计简单，电路的复杂程度低，有利于提高测量精度。

关键词： 光栅； 直流电平； 漂移； A/D和D/A转换器； 校正

中图分类号： TN911.7?34； TB96 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0067?03

0 引 言

光栅作为一种精密的测量工具，广泛应用于精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度加工等领域[1]。光栅测量技术是集光、机、电于一体的数字位移传感技术，它采用光电转换可将机械位置信息转换成相应的数字信号输出[2]。圆光栅测角系统中，光栅度盘的标尺光栅和指示光栅组成光栅副，而测角系统就是以光栅副发生相对转动时产生的明暗相间的莫尔条纹为基础的。明暗相间的莫尔条纹随着光栅的移动会产生类似于正弦信号的光强变化，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅的相对移动量[3?5]。然而在实际的测量中受工艺和成本的限制，由光栅信号产生的正弦信号往往会发生直流漂移，这会给测量精度带来较大误差。消除信号中直流电平的方法很多，比如机械式调整法，包括调整硅光电池的受光面积，改变推广电池和光源的相对位置等[6]。很多设计中采用差分放大电路来消除信号中的直流分量[7?8]。此外，文献[2]中还提到在调理电路中设置高通滤波器来滤除直流分量。本文就此问题利用A/D和D/A转换器，对源光栅信号的直流漂移进行实时校正，并将校正后的电平作为比较器的基准电压，使比较器输出更加精准的计数信号。此方法避免了繁杂的调节，并且不会增加硬件电路的复杂程度，结构简单易于实现，对提高光栅的测量精度具有非常重要的实用价值。

1 系统总体设计

光栅计量系统由光栅光学系统信号采集电路和信号处理电路两部分组成，其基本工作原理是：被测光栅盘和基准光栅盘每转过一条栅线，它们各自都会产生一个完整的正弦（余弦）信号，经过差分、放大、整形，送到控制器进一步处理，系统原理框图如图1所示。

当指示光栅相对于标尺光栅发生位移时，会产生明暗相间的莫尔条纹，把光电传感器放在不同位置可以得到相位相差90°的正余弦信号，正余弦信号分别用作计数信号和辨向信号。假设正弦信号作为计数信号，余弦信号作为辨向信号，当余弦超前正弦90°时光栅计数器做累加计算，当余弦滞后正弦90°时光栅计数器做累减运算，这两路信号经过比较器整形成方波，送给处理器细分、计数和辨向，正余弦信号如图2所示。

比较器整形是提取正余弦的直流分量作为基准比较电压，实际上由于制造工艺，机械结构以及光路稳定性等各种原因，光栅信号的直流电平经常发生偏移，如果不及时测量直流分量，系统的测量精度就会大大降低。针对这种情况，本设计在电路中加入了直流电平校正模块，通过处理器计算获得信号的直流电平，并将此电平由D/A反馈给比较器作为比较器的基准比较电压，使比较器输出更准确的计数信号。加入校正模块能有效避免计数脉冲产生延时和遗漏的情况，这样就基本解决了直流电平漂移影响处理器计数的问题。

信号送到处理器后，需要经过一系列处理，其中重要的一环就是对类似于正弦波的电信号进行细分。细分方法可分为光学细分、机械细分和电子细分三大类，光学细分、机械细分是通过硬件来实现的，提高细分精度会使硬件电路变得更加复杂。而电子学细分可利用软件编程实现，大大降低了硬件电路的复杂程度，并且具有读数快、精度高，易于实现测量和数据处理过程的自动化等优点，因而得到了广泛的应用[9?10]。本文采用了电子细分的方法对比较器输出的信号进行细分。

2 硬件电路设计

本系统的硬件电路设计中的处理器选用含有内置D/A和A/D的SMTM32F103。STM32拥有先进的性能，基于集成嵌入式FLASH和SRAM存储器的ARM Cortex?M3内核，和8/16位设备相比，ARM Cortex?M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率，在高性能的同时拥有低功耗和大集成度等优点。

硬件电路设计原理：光源发出光，当度盘相对指示光栅发生转动时，透过大小光栅的光产生明暗交替的变化，各个位置的光电传感器将光信号转换为电信号，单个电信号接近正、余弦信号。为了防止直流电平对后级电路的影响，同时为了增大正、余弦信号的共模抑制比，将它们接入差分放大电路，并设置合适的参数将信号放大到合适的范围。此时将信号分为两路，一路送往比较器，而另一路送到处理器的A/D口，由处理器计算信号的直流电平，并判断直流电平是否需要校正，如果需要校正则由D/A端口将校正后的直流电平送到比较器的另一端，作为比较器的基准比较电压。与通用的固定基准电压的比较器相比，这种方法可以实时地检测正、余弦信号的直流电平变化，并且根据直流电平的变化实时调整比较器的基准电压，这样比较器的基准电压就不会因为信号直流电平漂移而受到太大的影响，因此比较器能输出更加精准的信号，此时再将信号输入到处理器的A/D口，交给处理器处理，硬件电路设计图如图3所示。

3 软件设计

软件设计主要是对信号的采样、直流电平校正、辨向、计数进行处理。处理过程如下：经过处理后的sin、cos信号，分为两路，一路经过同相回差比较器后，将正、余弦信号整形成方波信号，方波信号送至STM32进行计数与辨向处理；另一路送到STM32内置A/D引脚，实时检测正弦、余弦信号的电压值并计算直流电平，根据电压值与直流电平的变化调整软件细分参数以及整形电路的触发电平。当检测到直流信号与上次测得的值有变化时，STM32就会通过自带的D/A实时地调整比较器的参考比较电压，自动校正正、余弦信号的过零点。

程序中的两个中断处理。一个用来计算正弦信号的直流电平和峰峰值并利用正弦脉冲信号控制整数周长计数器的加减。另一个用来计算余弦信号的直流电平和峰峰值并利用余弦脉冲信号判断计数方向。主程序主要完成采样、直流校正、细分和显示任务，系统软件设计流程图如图4所示。

4 误差分析

在计数之前，处理器会对信号的直流电平进行实时检测和校正，并将校正后的直流电平送往比较器作为基准电平，使比较器输出更精准的信号。如果不进行比较器基准电平的校正，比较器就会因为基准电平的不正确而输出畸变的方波信号，影响处理器计数。假设在测角过程中，比较器基准电压一直固定不变，而在某一时刻信号的直流电平往上漂移，那么比较器输出方波也会发生相应的改变，如图5所示。此时的方波占空比变大，上升沿发生的时间被提前，导致计数脉冲产生的时间也被提前。相对的，如果信号的直流电平往下漂移，计数脉冲则会延迟产生，若这个时间便停止测角，由于计数脉冲被延迟，处理器便会将这个计数脉冲遗漏，造成了计数误差。另外，直流电平漂移和信号的变形可能会导致信号幅值一直比比较器的基准电平大，则方波就变成了一段高电平，如图6所示。这样就不能产生计数脉冲，造成了处理器计数的遗漏，产生了计数误差。本文采用的方法则能改善甚至消除这种误差。

5 结 语

本设计采用电子学细分，利用软件编程对信号进行辨向和计数，硬件电路设计十分简单，减少了干扰源，降低了成本。在此基础上，硬件电路中对信号的直流电平实时检测并反馈给比较器的输入端，使比较器输出更准确的计数信号，解决了以往光栅测量中直流电平漂移的问题，基本消除了处理器因直流电平的漂移所带来的计数误差，从而提高了测量精度。

参考文献

[1] 曹向群，黄维实，金彤.光栅计量技术[M].杭州：浙江大学出版社，1992.

[2] 吕孟军.光栅莫尔条纹电子学细分技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[3] 袁小滨，李怀琼.光栅莫尔条纹数字细分技术及其误差分析[J].西安公路交通大学学报，2001，21（1）：113?115.

[4] 李怀琼，陈钱，王钰.新型光栅信号数字细分技术及其误差分析[J].计量学报，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐晖，叶险峰，李向军.一种基于FPGA的光栅莫尔条纹数字细分技术[J].计量技术，2006，10（10）：14?17.

[6] 卢桂正.光栅数字显示装置中前置光电放大器输出直流电平的校正[J].光学技术，1981（1）：27?29.

[7] 朱维娜.基于DSP2812的光栅细分技术研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[8] 刘世峰.基于幅值采样的光栅莫尔条纹信号细分技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[9] 蔺小军，史耀耀，汪文虎，等.光栅信号软件细分技术及其误差分析[J].工具技术，2006，40（10）：72?74.

[10] 刘中力.光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究[D].长春：长春理工大学，2009.

程序中的两个中断处理。一个用来计算正弦信号的直流电平和峰峰值并利用正弦脉冲信号控制整数周长计数器的加减。另一个用来计算余弦信号的直流电平和峰峰值并利用余弦脉冲信号判断计数方向。主程序主要完成采样、直流校正、细分和显示任务，系统软件设计流程图如图4所示。

4 误差分析

在计数之前，处理器会对信号的直流电平进行实时检测和校正，并将校正后的直流电平送往比较器作为基准电平，使比较器输出更精准的信号。如果不进行比较器基准电平的校正，比较器就会因为基准电平的不正确而输出畸变的方波信号，影响处理器计数。假设在测角过程中，比较器基准电压一直固定不变，而在某一时刻信号的直流电平往上漂移，那么比较器输出方波也会发生相应的改变，如图5所示。此时的方波占空比变大，上升沿发生的时间被提前，导致计数脉冲产生的时间也被提前。相对的，如果信号的直流电平往下漂移，计数脉冲则会延迟产生，若这个时间便停止测角，由于计数脉冲被延迟，处理器便会将这个计数脉冲遗漏，造成了计数误差。另外，直流电平漂移和信号的变形可能会导致信号幅值一直比比较器的基准电平大，则方波就变成了一段高电平，如图6所示。这样就不能产生计数脉冲，造成了处理器计数的遗漏，产生了计数误差。本文采用的方法则能改善甚至消除这种误差。

5 结 语

本设计采用电子学细分，利用软件编程对信号进行辨向和计数，硬件电路设计十分简单，减少了干扰源，降低了成本。在此基础上，硬件电路中对信号的直流电平实时检测并反馈给比较器的输入端，使比较器输出更准确的计数信号，解决了以往光栅测量中直流电平漂移的问题，基本消除了处理器因直流电平的漂移所带来的计数误差，从而提高了测量精度。

参考文献

[1] 曹向群，黄维实，金彤.光栅计量技术[M].杭州：浙江大学出版社，1992.

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[5] 唐晖，叶险峰，李向军.一种基于FPGA的光栅莫尔条纹数字细分技术[J].计量技术，2006，10（10）：14?17.

[6] 卢桂正.光栅数字显示装置中前置光电放大器输出直流电平的校正[J].光学技术，1981（1）：27?29.

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[8] 刘世峰.基于幅值采样的光栅莫尔条纹信号细分技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[9] 蔺小军，史耀耀，汪文虎，等.光栅信号软件细分技术及其误差分析[J].工具技术，2006，40（10）：72?74.

[10] 刘中力.光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究[D].长春：长春理工大学，2009.

程序中的两个中断处理。一个用来计算正弦信号的直流电平和峰峰值并利用正弦脉冲信号控制整数周长计数器的加减。另一个用来计算余弦信号的直流电平和峰峰值并利用余弦脉冲信号判断计数方向。主程序主要完成采样、直流校正、细分和显示任务，系统软件设计流程图如图4所示。

4 误差分析

在计数之前，处理器会对信号的直流电平进行实时检测和校正，并将校正后的直流电平送往比较器作为基准电平，使比较器输出更精准的信号。如果不进行比较器基准电平的校正，比较器就会因为基准电平的不正确而输出畸变的方波信号，影响处理器计数。假设在测角过程中，比较器基准电压一直固定不变，而在某一时刻信号的直流电平往上漂移，那么比较器输出方波也会发生相应的改变，如图5所示。此时的方波占空比变大，上升沿发生的时间被提前，导致计数脉冲产生的时间也被提前。相对的，如果信号的直流电平往下漂移，计数脉冲则会延迟产生，若这个时间便停止测角，由于计数脉冲被延迟，处理器便会将这个计数脉冲遗漏，造成了计数误差。另外，直流电平漂移和信号的变形可能会导致信号幅值一直比比较器的基准电平大，则方波就变成了一段高电平，如图6所示。这样就不能产生计数脉冲，造成了处理器计数的遗漏，产生了计数误差。本文采用的方法则能改善甚至消除这种误差。

5 结 语

本设计采用电子学细分，利用软件编程对信号进行辨向和计数，硬件电路设计十分简单，减少了干扰源，降低了成本。在此基础上，硬件电路中对信号的直流电平实时检测并反馈给比较器的输入端，使比较器输出更准确的计数信号，解决了以往光栅测量中直流电平漂移的问题，基本消除了处理器因直流电平的漂移所带来的计数误差，从而提高了测量精度。

参考文献

[1] 曹向群，黄维实，金彤.光栅计量技术[M].杭州：浙江大学出版社，1992.

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[4] 李怀琼，陈钱，王钰.新型光栅信号数字细分技术及其误差分析[J].计量学报，2001，15（3）：71?75.

[5] 唐晖，叶险峰，李向军.一种基于FPGA的光栅莫尔条纹数字细分技术[J].计量技术，2006，10（10）：14?17.

[6] 卢桂正.光栅数字显示装置中前置光电放大器输出直流电平的校正[J].光学技术，1981（1）：27?29.

[7] 朱维娜.基于DSP2812的光栅细分技术研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[8] 刘世峰.基于幅值采样的光栅莫尔条纹信号细分技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[9] 蔺小军，史耀耀，汪文虎，等.光栅信号软件细分技术及其误差分析[J].工具技术，2006，40（10）：72?74.

[10] 刘中力.光栅度盘测角仪中信号的辨向细分技术的研究[D].长春：长春理工大学，2009.