光柵傳感器信號細分中絕對值電路的設計

摘要：針對光柵傳感器信號精細分中絕對值電路存在的常見問題，以提高測量精度為目標，通過不斷改進模擬電路的結(jié)構(gòu)，選取不同型號的運放芯片，同時使電路中的電阻、電容等元器件的參數(shù)達到最佳匹配，在不同頻率的輸入信號作用下，反復測試，最后得出了一種在高頻輸入的條件下輸出信號能高度保真的絕對值電路，從而使光柵傳感器對位移測量的分辨力可達到0.01μm。
關(guān)鍵詞：光柵；精細分；絕對值電路；分辨力

    為了達到較高的細分倍數(shù)，在對光柵莫爾條紋信號進行粗細分的同時，還需要對位移進行精細分。為提高細分速度，精細分電路采用全硬件設計，包括絕對值電路，多路選擇電路及A／D采樣電路。絕對值電路是模擬電路中處理數(shù)據(jù)信息的一種電路，在各類電子測電路中有著廣泛的應用。尤其在對正弦信號進行數(shù)字化幅值測量時，采用絕對值電路可以將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號，便于計算機采集處理時去掉符號位，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。所以絕對值電路精確與否，對后續(xù)的信號處理電路有著重要的影響。然而，在實際使用中，由于二極管壓降的存在，信號頻率的不同，以及元器件參數(shù)誤差等因素的影響，絕對值電路的輸出往往不夠理想，有時甚至嚴重失真，將在一定范圍內(nèi)影響測量精度。為此，本文著將重探討幾種不同的絕對值電路，以確定出符合要求的最佳電路。

1 三種絕對值電路的設計方案
1．1 電路設計一
    資料上如圖1所示的絕對值電路較為常見。分析電路可知，當Vin>0時，D1截止，D2導通，輸入信號Vin通過第一級運放U1A反相放大，之后再與Vin一起進入后一級運放U1B構(gòu)成反相加法器，根據(jù)電阻匹配關(guān)系，最后輸出為Vout=Vin；當Vin<0時，D1導通，D2截止，此時運放U1A處于深度負反饋狀態(tài)，所以輸入信號Vin直接經(jīng)過運放U1B反相后，得到輸出Vout=-Vin。

    在實際電路中，由于電源存在耦合干抗，零電位產(chǎn)生漂移，加之二極管并非理想狀態(tài)，導通時存在一定壓降，該絕對值電路效果往往不夠理想。特別是當輸入信號頻率較高時，在過零點處會產(chǎn)生明顯的失真，從而給信號的后續(xù)處理帶來極大的不便。

    圖2是當信號頻率為4 kHz時的輸出波形圖，由圖可知，在過零點處，幅值誤差為△U=40 mV，假設精細分電路對信號進行256細分，信號幅值為0．5 V。由于光柵尺移動一個柵距位移為0．02mm，則所允許的誤差δ應小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而當△U=40 mV時，誤差δ=0．02mmx1／4x1／256x(256x0．04V／0．5V)=0．000 4 μm，明顯超出了測量誤差所允許的范圍。
1．2 電路設計二
    圖3為改進后的絕對值電路，該電路在電源端分別接一個0．1μF的電容去耦；在運放的同相輸入端采用圖中電路結(jié)構(gòu)，不僅可以通過調(diào)節(jié)電位器使零電位趨于穩(wěn)定，抑制零點漂移，還能對波形的銜接處進行調(diào)整；當信號頻率增大時，運放芯片會使信號產(chǎn)生一定的延遲，即相位發(fā)生偏移，而圖中電容C1與電阻構(gòu)成的電路會引起反相延遲，從而能對信號相位進行校正。

    當輸入信號頻率為8 kHz時，輸出波形圖如圖4所示。

    當信號頻率增大到一定值時，電路二的輸出同樣會出現(xiàn)失真。例如，當輸入信號頻率為10kHz時，其輸出波形如圖5所示。由波形圖可知，信號在過零點處的誤差達到了約80 mV，顯然不合要求。
1．3 電路設計三
    由于光柵尺輸出信號的頻率最高能達到20 kHz以上，且隨著光柵尺移動速度的不同，信號頻率變化也較大，因此要求絕對值電路能對高頻信號進行精確處理，并能在動態(tài)條件下穩(wěn)定工作。第二種電路雖然在結(jié)構(gòu)上有所改進，但對高頻信號的處理效果仍不理想，如圖5所示，不能達到所需要求，而圖6所示的第三種絕對值電路可以很好地解決這一問題。

    與之前電路相比，該電路在電源去耦，濾波處理，以及各元器件型號和參數(shù)的選擇上都有較大的改進。另外，為減小差動放大器上來的信號源電阻，在二極管D1、D2的輸出上附加470 Ω的分流電阻。在高頻信號輸入以及高速化的工作條件下，該電路能對信號進行較好地處理，使輸出信號的幅值衰減很小，且過零點處信號基本無偏差。
    當輸出信號頻率為25 kHz時，該電路的輸出波形圖如下：

2 結(jié)論
    由于光柵尺移動時輸出信號的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續(xù)電路要求信號基本穩(wěn)定，無振蕩，因此該絕對值電路應滿足以下條件：1)能夠在較高頻率下正常工作；2)適用于高速化的場合；3)精度較高，信號基本無失真。要保證測量誤差在允許范圍之內(nèi)，信號在經(jīng)過絕對值電路后必須高度保真。通過上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對值電路應是最佳的選擇。