光栅传感器信号细分中绝对值电路的设计

摘要：针对光栅传感器信号精细分中绝对值电路存在的常见问题，以提高测量精度为目标，通过不断改进模拟电路的结构，选取不同型号的运放芯片，同时使电路中的电阻、电容等元器件的参数达到最佳匹配，在不同频率的输入信号作用下，反复测试，最后得出了一种在高频输入的条件下输出信号能高度保真的绝对值电路，从而使光栅传感器对位移测量的分辨力可达到0.01μm。
关键词：光栅；精细分；绝对值电路；分辨力

    为了达到较高的细分倍数，在对光栅莫尔条纹信号进行粗细分的同时，还需要对位移进行精细分。为提高细分速度，精细分电路采用全硬件设计，包括绝对值电路，多路选择电路及A／D采样电路。绝对值电路是模拟电路中处理数据信息的一种电路，在各类电子测电路中有着广泛的应用。尤其在对正弦信号进行数字化幅值测量时，采用绝对值电路可以将双极性信号转换为单极性信号，便于计算机采集处理时去掉符号位，提高模数转换的精度。所以绝对值电路精确与否，对后续的信号处理电路有着重要的影响。然而，在实际使用中，由于二极管压降的存在，信号频率的不同，以及元器件参数误差等因素的影响，绝对值电路的输出往往不够理想，有时甚至严重失真，将在一定范围内影响测量精度。为此，本文着将重探讨几种不同的绝对值电路，以确定出符合要求的最佳电路。

1 三种绝对值电路的设计方案
1．1 电路设计一
    资料上如图1所示的绝对值电路较为常见。分析电路可知，当Vin>0时，D1截止，D2导通，输入信号Vin通过第一级运放U1A反相放大，之后再与Vin一起进入后一级运放U1B构成反相加法器，根据电阻匹配关系，最后输出为Vout=Vin；当Vin<0时，D1导通，D2截止，此时运放U1A处于深度负反馈状态，所以输入信号Vin直接经过运放U1B反相后，得到输出Vout=-Vin。

    在实际电路中，由于电源存在耦合干抗，零电位产生漂移，加之二极管并非理想状态，导通时存在一定压降，该绝对值电路效果往往不够理想。特别是当输入信号频率较高时，在过零点处会产生明显的失真，从而给信号的后续处理带来极大的不便。

    图2是当信号频率为4 kHz时的输出波形图，由图可知，在过零点处，幅值误差为△U=40 mV，假设精细分电路对信号进行256细分，信号幅值为0．5 V。由于光栅尺移动一个栅距位移为0．02mm，则所允许的误差δ应小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而当△U=40 mV时，误差δ=0．02mmx1／4x1／256x(256x0．04V／0．5V)=0．000 4 μm，明显超出了测量误差所允许的范围。
1．2 电路设计二
    图3为改进后的绝对值电路，该电路在电源端分别接一个0．1μF的电容去耦；在运放的同相输入端采用图中电路结构，不仅可以通过调节电位器使零电位趋于稳定，抑制零点漂移，还能对波形的衔接处进行调整；当信号频率增大时，运放芯片会使信号产生一定的延迟，即相位发生偏移，而图中电容C1与电阻构成的电路会引起反相延迟，从而能对信号相位进行校正。

    当输入信号频率为8 kHz时，输出波形图如图4所示。

    当信号频率增大到一定值时，电路二的输出同样会出现失真。例如，当输入信号频率为10kHz时，其输出波形如图5所示。由波形图可知，信号在过零点处的误差达到了约80 mV，显然不合要求。
1．3 电路设计三
    由于光栅尺输出信号的频率最高能达到20 kHz以上，且随着光栅尺移动速度的不同，信号频率变化也较大，因此要求绝对值电路能对高频信号进行精确处理，并能在动态条件下稳定工作。第二种电路虽然在结构上有所改进，但对高频信号的处理效果仍不理想，如图5所示，不能达到所需要求，而图6所示的第三种绝对值电路可以很好地解决这一问题。

    与之前电路相比，该电路在电源去耦，滤波处理，以及各元器件型号和参数的选择上都有较大的改进。另外，为减小差动放大器上来的信号源电阻，在二极管D1、D2的输出上附加470 Ω的分流电阻。在高频信号输入以及高速化的工作条件下，该电路能对信号进行较好地处理，使输出信号的幅值衰减很小，且过零点处信号基本无偏差。
    当输出信号频率为25 kHz时，该电路的输出波形图如下：

2 结论
    由于光栅尺移动时输出信号的频率大约在5～25 kHz之间，且后续电路要求信号基本稳定，无振荡，因此该绝对值电路应满足以下条件：1)能够在较高频率下正常工作；2)适用于高速化的场合；3)精度较高，信号基本无失真。要保证测量误差在允许范围之内，信号在经过绝对值电路后必须高度保真。通过上述电路分析和比较，综合各种因素可知，第三种绝对值电路应是最佳的选择。