激光干涉测量系统信号处理电路应用——一种辨向四细分电路

激光干涉测量系统信号处理电路应用——一种辨向四细分电路

1.引言
随着光学测量技术的不断发展，激光干涉测量系统在工业精密测量领域得到越来越多的应用，激光干涉测量系统后端的信号处理对提高测量的准确度有着重要的影响，对激光干涉测量系统信号处理电路的设计有着重要的意义。激光干涉测量系统信号处理电路的主要工作是将包含位移信息的激光干涉信号进行放大处理等运算给出其准确的位移值，本文介绍一种应用在信号处理电路中的辨向细分电路模块。
信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值以提高仪器分辨力的一种重要方法。随着电子技术的不断发展，细分电路可达到的分辨力越来越高，成本也越来越低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨力的主要手段之一。细分电路主要针对测控系统中应用广泛的线位移信号和转动信号，例如来自光栅、磁栅、容栅、激光干涉仪等信号的细分。这类信号的共同点是：信号具有周期性，也就是说信号没变化一个周期对应着空间一个固定的位移量，测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数，则以其的分辨力就是一个信号周期对应的位移量，为了提高仪器的分辨力，对信号在一个周期内进行插值，从未获得比一个信号周期更高的分辨力。
2.电路原理
本文介绍一种典型的细分电路—四细分辨向电路。四细分辨向电路是一种常见的细分辨向电路，输入信号具有一定的相位差（通常为90°）的两路或四路方波信号。细分的原理基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。

上图所示为单稳四细分辨向电路。它是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。A、B是两路相位差为90°的方波信号，传感器正向移动时，设A 导前B（波形见下图），当A发生正跳变时，由非门DG1、电阻R1、电容C1、和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号Apie，此时Bheng为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或非门DG10无计数脉冲输出。当B发生正跳变时，由非门DG6、电阻R3、电容C3和与门DG8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号Bpie，此时A为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10仍无计数脉冲输出。当A发生负跳变时，由非门DG2、电阻R2、电容C2、和与门DG4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号Apie heng，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出。当B发生负跳变时，由非门DG7、电阻R4、电容C4和与门DG9组成的单稳触发器输出窄脉冲信号Bpie heng，此时Aheng为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出。这样，在正向运动时， 在一个信号周期内依次输出Apie、Bpie、Apie heng、Bpie heng 4个计数脉冲，实现了四细分。在传感器反向运动时（波形见下图）,由于A、B的相位关系发生变化，B导前A，这时DG10在一个信号周期内依次输出Apie heng、Bpie、Apie、Bpie heng 4个计数脉冲，这4个计数脉冲分别出现在Bheng、Aheng、B、A 为高电平的半周期内，同样实现了四细分。DG5、DG10随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号 Uo1、Uo2可以直接送入到可逆计数集成电路，实现辨向计数。

3.应用
在激光干涉信号采集计数中应用到四细分辨向电路，如下图所示，四路激光干涉信号经BNC接口输入到FPGA飓风4代芯片内，然后可以应用专业软件通过原理图输入方式其内部设计上述四细分辨向电路。