基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究论文

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1、学院：电子工程学院专业：电子科学与技术（光电方向）学生姓名：姜任毕业论文题目：基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究摘 要光栅尺是上世纪70年代的新兴产品，随着电子技术和单片机技术的发展，光栅尺位移传感器在位移测量系统得到广泛应用。随着它的精度要求越来越高，光栅尺细分技术也随着电子技术的发展得到了日益广泛的应用。本文给出了一种基于 FPGA的光栅尺位移传感器的四细分电路设计方法，利用FPGA设计了一种细分辨向电路模块，采用Verilog HDL语言编写四细分、辨向模块程序，并进行了仿真，然后又进行了实物的验证。仿真与验证结果表明，新型的设计方法与传统细分电路相比具有开发周期短、集成度高、模块

2、化、修改简单等特点。关键词光栅尺；四倍频细分；辨向；FPGAAbstractAs a new product,optical grating ruler appeared in the 1970s.With electronic technology and single-chip microcomputer development,the grating displacement transducer is widely used in displacement measurement system.With more and more requirement to its accuracy

3、,the technology of optical grating ruler is increasingly used with the develop of electronic technology.This paper introduced a new kind of four times frequency subdivision circuit design method of the grating displacement transducer by FPGA,the method adopted FPGA designed a kind of subdivision cir

4、cuit module,using Verilog HDL language to compile the four times subdivision circuit module, and simulate the program.Then conducted a physical verification. The results show that the new design methods have short development cycle and easy to modify module,compared with traditional subdivision circ

5、uit.KeywordsOptical grating ruler; Four times frequency subdivision; Discerning; FPGAI目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究背景11.1.1 课题研究背景11.1.2 国外光栅尺的现状21.1.3 国内光栅尺的现状41.1.4光栅尺的发展趋势51.2论文研究的目的和意义61.3 论文主要研究的内容61.4 本章小结7第二章 光栅尺信号细分方案82.1 光栅尺信号的形成及特点82.1.1 光栅尺的工作原理82.1.2 光栅传感器输出信号的特点102.2 信号细分112.2.1 信号细分的

6、研究现状与发展112.2.2 主要细分方法特点及比较122.3 本章小结14第三章 四细分电路设计153.1 四细分与辨向电路153.1.1光栅尺信号及电路设计要求153.1.2四细分及辨向电路设计163.2电路模拟183.2.1 电路模拟软件Multisim10.0简介183.2.2 电路模拟193.3 本章小结20第四章 基于FPGA的四细分电路设计与研究214.1概述214.1.1 EDA概述214.1.2 FPGA概述224.1.3 Verilog HDL简介234.1.4 Bottom-up与Top-down设计方法254.1.5 Verilog HDL对硬件电路的描述264.1.6

7、 Quartus软件使用方法264.2 基于FPGA的四细分电路设计与研究304.3 仿真与测试334.3.1 仿真334.3.2 实验验证334.4 本章小结37结 论39参考文献40致 谢43基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究第一章 绪 论1.1 研究背景1.1.1 课题研究背景光栅作为精密测量的一种工具，已在各类测量机构、仪器的位移测量(弹簧试验机、三坐标机、投影仪等）、各类机床的数显系统（车床、铣床、磨床、镗床、电火花、钻床等）、各类数控机床的配套使用（数控铣、加工中心、数控磨床等）配接PLC用于各类自动化机构的位移测量等方有了很多应用。在玻璃(或金属)上进行刻划，可得到一系列的

8、密集刻线，这种具有周期性刻线分布的光学元件称为光栅。光栅式传感器具有如下特点：(1)精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面精度仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的；(2)大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器；(3)可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；(4)具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光传感器那样严格。光栅尺是上世纪70年代的新兴产品，它是一种位移传感器，是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术，在3 mm的附法玻璃上镀铬刻1 um为一道的透明长度尺，

9、然后把它粘在铝尺上。靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量。光栅尺产品具有很多特点：(1)最先进可靠的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。 (2)传感器采用密封式结构，性能可靠，安装方便。 (3)采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水，防尘优异，使用寿命长。 (4)具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。 (5)光源采用进口红外发光二极管，体积小寿命长。 (6)采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺计量光栅技术近年来在精密仪器、超精加工、数控机床等领域得到了广泛的应用1-3，另外文献4、5介绍了光栅式传感器

10、在各领域的应用，文献6还对光栅技术和激光技术在测量领域的应用进行了比较。光栅尺用来精密测量物体的位移，作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用，在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差，以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用。其实就像人眼睛看到我切割偏没偏的作用，然后可以手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准。它的基本原理是将直线或角度位移量转化为莫尔条纹信号，再对条纹信号进行细分和计数，从而得到位移量，文献79叙述了以光栅莫尔条纹理论为基础的测量技术在实际中的一些应用。莫尔条纹信号处理技术是计量光栅技术中的关键技术，包括细分和计数两部分。常规位移测量计数法属于硬件计数法。在光栅单方向移动

11、或缓慢变向时，可以正确计数。但由于适应性差、抗干扰的能力不足，因而当光栅的移动情况比较复杂时，就有可能发生丢数或多计数现象10-11。随着A/D 转换周期的缩短和数字信号处理器件性价比的提高，采用软硬件结合的数字细分及辨向方法成为取代传统细分方法、提高系统稳定性的一条有效途径。利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代，在相当长时间里，仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定，最开始是基于双光栅的莫尔条纹(Moire fringes)技术，其栅距在20 um左右，精度一般为几个微米，但是随着制造技术的进步，光栅的精度越来越高，现在的光栅栅距可以达到0.8 um，分

12、辨力达到1 nm，在生产、制造业的发展中也扮演了越发重要角色。光栅精度的提高以及随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器的灵敏度不断提升，在位移测量系统得到广泛的应用，并且逐步向智能化方向转化。1.1.2 国外光栅尺的现状近十年来，光栅测量的精度水平不断提高，因而要求不断提高光栅尺的加工精度。国际市场上最好的光栅尺，如德国HEIDENHAIN(海德汉)、英国RENISHAW(雷尼绍)、西班牙FAGOR(发格)的光栅尺，制造偏差小于1 um/m，其检定数据比较可靠，并且产品一般带有规格繁多的读数头并提供工业标准的模拟和数字输出，某些型号还内置了电子细分系统：(1)德国HEIDENHAIN公司一

13、直是引导光栅测量技术的发展，二十一世纪的重要发展是、光栅尺的单场扫描、绝对式光栅尺、皮米级光栅测量系统、双向数字接口。2007年12月推出了皮米（pm1012m）级LIP201系列光栅测量系统，LIP201系列敞开式光栅尺采用玻璃或玻璃陶瓷的相位光栅，栅距2048 um，信号周期0.512 um；精度等级：1.0 um，最大测量长度1540 mm，带参考点；测量步距：从1 nm到3125 pm，最大倍频细分数为16384；测量速度：180 m/min，在3125 pm时为60 m/min；震动：20 g，冲击：40 g；输出接口：1Vpp或EnDat串行双向接口，时钟频率可达16 MHZ，只需

14、8 us的时间后续电子设备就能得到位置值，可以与FANUC和三菱系统相连。2008年12月推出了LIC4000系列敞开式绝对式光栅尺，该系统运用MATALLUR刻线工艺的钢带尺；精度等级：5 um；最大产量长度：27040 mm；测量步距：10 nm；最大移动速度：480 m/min。其绝对式光栅尺LC183和LC483玻璃绝对式光栅尺有二个码道，绝对码道采用伪随机码，增量码道栅距为20 um，采用单场扫描技术提高光栅尺信号质量和抗污染能力，最大测量长度达到4240 mm，精度等级为3 um和5 um，分辨率达到0.005 um，运动速度达到180 m/min，加速度10 g，震动20 g，冲

15、击30 g，EnDat22双向数字接口传输绝对位置信息值12。(2) RENISHAW公司是专门从事高精度检测仪器与设备的制造企业，主要产品为非接触直线光栅及圆光栅测量系统，激光干涉仪，三座标测量机及数控机床用测头，球杆仪和模具扫描系统等。RENISHAW传统的光栅尺是镀金的钢带光栅，型号是RG20m和RG40m测量长度可达70 m，光栅尺的栅距有20 m和40 m两种，光栅尺的精度是任意1 m长度上为3 m。读数头中有内置细分电路，提供分辨率从10 m到10 nm的数字反馈信号以及12 A电流和1Vpp电压的模拟输出信号。最大测量速度600 m/min，分辩率10 nm时相应的速度为150

16、mm/s。2007年秋季RENISHAW推出RSLM不锈钢带光栅，栅距是20 m，速度12.5 m/s，最大长度为5 m，整体精度为4 m/m，可以选择背面自带1 m，的不干胶安装或用夹具进行安装，与过去的产品相比是在光栅尺上有参考零位，并在短行程时有距离编码13。(3)西班牙FAGOR公司是全球范围有影响的光栅尺、圆光栅编码器、数显表、数控系统和伺服驱动系统制造公司。FAGOR传统的封闭式玻璃光栅尺的栅距为20 m，最大测量长度3 m，准确度3 m和5 m，分辨率从5 m到0.1 m，最大速度120 m/min；封闭式金属反射式钢带尺栅距是40 m和100 m，准确度为5 m测量长度达到30

17、 m，最大速度达到120 m/min。光栅尺的输出信号有两种分别为TTL差动方波和1Vpp正、余弦电压信号。FAGOR的新产品还有敞开式钢带光栅尺是采用单场扫描，栅距为20 m，测量速度为8 m/s，抗震性达到20 g，准确度为5 m，分辨率可以达到纳米级，输出信号为TTL方波和1Vpp正弦波。2004年7月FAGOR推出了绝对式玻璃光栅尺，有增量和绝对两个码道，增量码道的栅距为20 m，分辨率0.1 um，最大测量长度3 m，准确度5 um、3 um，最大速度120 m/min。2009年4月FAGOR推出了封闭式L系列钢带绝对式光栅尺，栅距为40 m，测量分辨率到0.05 m，最大测量速度

18、120 m/min，其测量长度超过4040 mm，它可以通过USB接口与PC机连接14。1.1.3 国内光栅尺的现状我国制造光栅尺和光栅传感器的企业有数十家，年产值约8千万元，产光栅尺7万多根。但国产光栅尺档次不高，制造偏差一般为56 um/m。由于制造偏差较大，不能满足某些场合要求的高精度测量要求。不过，近年来中国光栅位移传感器在制造技术和工艺水平上都有提高，并推出了新的品种，开发了用于数控系统的反馈光栅尺和圆光栅编码器，正在向数控领域推进。光栅位移传感器及其数显表的销售量从2000年起，每年以30到50的速度递增，国内光栅尺主要的生产企业有广州诺信（信和）、怡信、长春光机、贵阳新豪、广东万

19、濠。国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3 m，准确度已达到15 um、10 um、5 um和3 um，分辨率为5 um、1 um和0.1 um，速度为60 m/min，主要应用于机床数显和测量仪器，用玻璃光栅尺接长的光栅尺可以做到30 m。(1)广州诺信（信和）生产的光栅尺市场的占有率和产品的质量都在国内行业中领先。它推出的KANC100系列反馈光栅尺能用于全闭环的数控系统，其主要技术指标：最大测量长度3 m，栅距20 m，精度5 m、3 m；分辨率从1 m达0.1 m；最大速度120 m/min/；加速度2 g；抗震动10 g。(2) 莱格钢带光栅尺展品是国内首先推出测量长度大于3 m的封

20、闭式钢带光栅尺，栅距为20 m，测量长度可以达30 m，最大测量速度60 m/min，分辨率为5、1、0.1 m，加速度1 g，震动20 g，冲击20 g，准确度分别为3 m/2 m、5 m/6 m、10 m/30 m15。(3)长春光机从第一支光栅传感器投放市场至今，已近五十万支产品在国民经济建设中发挥着作用，为我国机械冷加工行业的技术进步、对改善和提高装备制造业的水平做出了重要贡献，被中国机床工具工业协会誉为数显行业龙头企业。它推出的型封闭式光栅尺测量范围3000 mm以上，栅距0.02 mm、0.04 mm，精度10 um，分辨率0.005 mm、0.01 mm，响应速度60 m/min

21、, 输出信号TTL、 HTL、 RS-422。(4)2006年浙江大学信心工程学院的唐晖、叶险峰，中国计量学院信息工程学院的李向军，利用FPGA结合FLASHROM查表的方法，达到了对莫尔条纹的细分16。(5)2009年，安徽电子信息职业技术学院实验中心的方庆山，利用FPGA，结合VHDL硬件描述语言作为平台，实现了对莫尔条纹的细分17。1.1.4光栅尺的发展趋势随着数控技术和信息技术的发展，光栅传感器也向高精度、高速度、智能化和集成化迅速发展，并且特别注重产品的高质量、实用性和经济性。但是光栅尺分辨率越高，在制造工艺上难度很大，成本也很高，同时栅距越小，对光学系统和机械结构的要求也就越严格，

22、光栅的极限运动速度也会随之降低，因此光栅栅距不可能无限缩小18。但随着科学技术的发展，高精度计量及定位系统要求能精确地测定10.1um的直线量或“1-0.1 um”的角度量，有的甚至要求达到纳米级分辨率。由于光栅制造和使用条件的限制，单凭光栅本身来提高计量系统的分辨率有时比较难以实现，所以必须通过对莫尔条纹信号进行细分，以提高测量及定位系统的分辨率。光栅信号电子细分系统是在光栅测量中进一步提高测量精度的电子系统，作为光栅测量信号的后续数字处理系统能够进行多种测量数据的处理，如整波计数、方向辨别、波形细分等。目前光栅测量技术中应用的电子细分系统很多是集成在光栅尺的电子系统中，如英国RENISHA

23、W(雷尼绍)的RESR圆光栅尺。同时国内也有专门应用于光栅测量的光栅信号电子细分卡，比较有代表性的就是北京中科恒业中自技术有限公司的CA系列光栅细分数据采集卡。CA系列光栅细分数据采集卡是以中科院自动化所原IK系列采集卡为基础，经完善和改进形的系列光栅数据采集产品。该系列产品能广泛应用测量、控制领域。CA系列产品从计算机接口上分可分为ISA类和PCI类，按光栅信号分可分为正弦类(11APP或1VPP)和方波类(TTL或长线接收RS422)，可配接各种主流光栅传感器，系列产品都采用硬件细分、硬件计数。随着电子技术的发展，细分电路可达到的分辨力越来越高，同时成本却不断降低，电路细分已经成为人们提高

24、仪器分辨力的主要手段之一，各种应用高性能数字器件的细分方法也随着电子工业高速发展而应运而生。1.2论文研究的目的和意义光栅位移传感器的精度比较高，它在大量程测量长度或直线位移方面精度仅仅低于激光干涉传感器，适用于精密仪器、坐标测量机、高精度精密加工等领域。目前国内光栅信号细分系统实际品种较少，而且市面上该类产品的可靠性、兼容性以及实用性都不尽如人意，使得光栅细分系统在实际应用过程中难以发挥应有的应用。因此设计研制一种可靠实用的光栅信号细分系统来提高光栅尺精度是势在必行的。本课题中将光栅尺信号进行了四细分，使它的精度变成了原来的四倍。在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高精度。一般把四倍频电路与

25、判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，使传感器整体性能下降19。传统的设计方案往往需要增加较多的可编程计数器，电路元件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降，因此本文给出了一种结构较为简单的基于FPGA的电路，用FPGA来设计使用的器件数比传统的电路大大减少，所以功耗也降低，另外由于系统布线大都在芯片内部，因此抗干扰能力更强。由于采用的是可编程逻辑器件,对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可,不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板,使得系统的升级和维护的便捷性大大提高。1.3 论文主要研究的内容本

26、论文对基于FPGA的光栅尺四细分电路的设计进行了深入的研究，进行了大量的工作：介绍了多种细分技术、电路仿真软件Multisim10.0、FPGA仿真软件Quartus，并且使用这两种软件对电路和Verilog HDL程序进行了仿真，最后还进行了实验验证工作。论文的具体内容安排如下：第一章，绪论。首先说明了课题研究的背景，介绍了光栅尺的国内外现状和发展趋势。然后介绍了本文的主要工作和具体安排。第二章，光栅尺信号的细分方案。对光栅尺的工作原理以及输出信号的特点进行了简介，阐述了现在应用比较多的几种对信号的细分方法，并且做出了分析，然后根据实际情况给出了本课题的设计方案。第三章，四细分电路设计。给出

27、了光栅尺信号和电路的设计要求，并且根据要求设计了结构框图，然后设计出了电路，并进行了模拟。第四章，基于FPGA的四细分电路设计与研究。对EDA和FPGA进行了简单介绍，对Verilog HDL语言进行了简介，然后基于FPGA进行了电路的编译，并且用FPGA仿真软件Quartus进行了仿真。最后又具体的用光栅尺和FPGA开发板进行了实验验证。1.4 本章小结本章主要介绍了课题研究的背景，光栅尺的发展现状就趋势等等。然后给出了本论文的目的、意义以及研究的内容。第二章 光栅尺信号细分方案2.1 光栅尺信号的形成及特点2.1.1 光栅尺的工作原理常见光栅位移传感器的工作原理，是一对光山中的主光栅（即标

28、尺光栅）和副光栅（即指示光栅）上的线纹成一角度来放置两光栅尺并进行相对位移时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。 这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹是18世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒

29、定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹20。将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，即为莫尔条纹，如图2-1所示。图2-1 莫尔条纹W是光栅栅距通常用每毫米长度内的栅线数(也称栅线密度)来表示，例如栅线密度为50线/mm时，栅线间距W=0.02 mm。图中两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过，透光部分形成亮带；两光栅透光部分分别与另一光栅的不透光部分叠加，相互遮挡，光线透不过形成暗带。这就是莫尔条纹。两光栅中一块附着在移动的物

30、体上，称之为主光栅，另一块与光电接受器件装在一起，称为指示光栅。当主光栅沿着垂直于栅线的方向移动，指示光栅固定不变时，莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹间隔，光栅改变运动方向，莫尔条纹的运动也随之改变方向，两者之间有着对应的运动关系，可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向21。莫尔条纹有如下特征：(1) 莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。(2) 在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间

31、距B。固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。(3) 莫尔条纹具有位移放大作用，条纹的间距B与两光栅线纹夹角之间的关系为：（当很小时）所以，可利用光栅进行高精度直线位移或角位移的测量。明显看出，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为，所以尽管栅距很小，难以观察到，但莫尔条纹却清晰可见。这非常有利于布置接收莫尔条纹信号的光电器件22。光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前光栅尺传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直

32、的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。2.1.2 光栅传感器输出信号的特点光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。光栅传感器一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成，光电器件接收到的信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。标尺光栅和指示光栅形成莫尔条纹，若指示光栅采用的是裂相光栅，则它由四部分刻线组成，每一部分的刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各部分之间在空间上依次错开nW+W/4(n为整数，W为长光栅的栅距或者圆光栅的栅距角)的距离，指示光栅与标尺光栅刻线平行放置，这时它们之间形成光

33、闸莫尔条纹(也可采用指示光栅与标尺光栅刻线间有很小夹角式放置，这时形成横向莫尔条纹)，用光电器件分别接受裂相光栅四个部分的投射光，可以得到相位差依次为/2的四路信号： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4)式中电信号的直流电平，对应于莫尔条纹的平均光强；电信号的幅值，对应与莫尔条纹明暗的最大变化。这四路电信号的后续处理过程是：首先将、和、分别两两相减，消除信号中的直流电平，得到两路相位相差为90的正弦信号 (2-5) (2-6)然后将它们送入专门的电子细分和辨向电路，可以实现对位移的测量。需要说明的是，相位差为90的两路信号是辨向电路所必须的，单独一路信号无法实现辨向。2.2 信号细分

34、2.2.1 信号细分的研究现状与发展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提高仪器分辨力的一种方法。随着电子技术的发展，细分电路可达到的分辨力越来越高，同时成本却不断降低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨力的主要手段之一。细分电路按工作原理可分为直传式细分和平衡补偿式细分。一般来说，直传细分系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。但由于直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，所以有着广泛的应用。主要细分技术有：直接细分、电桥细分、电阻链分相细分、微型计算机细分等，它们有各自的优缺点。直接细分最常见的就是四倍频细分。细分原理是基于两路方波在一个周期内具

35、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，辨向就是根据两路方波信号相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。其优点是电路简单，响应速度快，转换时间短。但细分数较低，对信号的相位差要求较高。电桥细分是通过平衡电桥的原理实现细分的，这种方法会消耗光栅信号的功率，且细分数越大，所消耗的功率也越大，同时电桥细分对莫尔条纹信号的波形、幅值、正交性都有严格的要求，因此电桥细分一般应用在细分数较小的场合。电阻链分相细分是应用很广的细分技术。其工作原理是：将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻的连接点上可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

36、数脉冲，实现细分。电阻链细分响应速度较快，延迟时间较短，缺点是细分数越高，所需的元器件数目也成比例的增加，使电路变得复杂。 由于直接细分、电桥细分与电阻链分相细分电路所用的元器件都为电阻与运放元件，所以响应速度较快，原始信号转换成倍频后的方波信号延迟时间较短。但电路比较复杂，不易得到很高的细分数，都只能运用在细分数不高的场合。与此同时，各种应用高性能数字器件的细分方法也随着电子工业高速发展而应运而生，如文献23、24介绍的以FPGA为核心的电子细分系统，文献25、26介绍的以CPLD为核心的电子细分系统，文献27、28介绍了应用MCU的应用细分方法。2.2.2 主要细分方法特点及比较信号细分技

37、术在机械和电子等领域有着广泛的应用，例如对来自光栅、感应同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪等信号的细分。这类信号的共同特点就是：信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定的位移量。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，则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就要采用细分技术。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力29。光栅信号的细分方法种类众多，实际应用较多的有直接细分、电阻链分相细分、微型计算机细分，除此之外，主要的细

38、分方法还有：载波调制细分、锁相倍频细分、数字化细分、CCD细分、光纤细分，它们的应用范围由于各自特点的不同也有所区别。在此将各各细分方法的基本原理、主要优缺点及应用范围总结于下表中。表2-1 细分方法总结分类细分方法基本原理主要优缺点应用范围幅值调制细分（通过莫尔条纹信号的幅度变化判定相位差从而决定位移）直接细分先判断两路正交信号的前后沿，然后进行可逆计数电路简单，对信号无严格要求，细分数不高适用于动态和静态测量，应用范围较广移相电阻链细分可分为并联和串联两种，由电阻链实现对两路正交信号的移相，再鉴幅、整形细分数较大，精度较高，对信号正交性要求严格，随着细分数增加，电路成比例复杂化，零点漂移对

39、细分精度影响较大可用于动态和静态，细分数为20左右时，优点显著相位调制细分（通过莫尔条纹信号的相位差决定位移）载波调制细分用高频信号对莫尔条纹信号调制，通过测调制信号与原高频信号的相位差得到莫尔条纹信号的位相细分数较大，精度较高，对信号波形及正交性要求严格，电路比较复杂适用于动态和静态测量，要求细分数较高的场合锁相倍频细分利用锁相倍频跟踪器对莫尔条纹信号倍频、锁相、跟踪，再对倍频信号鉴幅、整形细分数很大，电路简单，对信号波形无严格要求，对光栅运动的匀速性要求很高只适用于动态测量，细分数较大时，可优先考虑数字化细分法（通过微处理器与适当硬件相结合的方法直接查表细分根据信号幅值查表得到相位值电路设

40、计简单，成本底，零频响，调试容易，高细分数不会引起电路的复杂化；可以充分利用微处理器的只能特点，对有规律的系统误差进行修正，细分倍数可以根据信号质量的好坏进行适当的调整。对莫尔条纹信号的频率上限有限制适用范围比较广，细分数可由莫尔条纹信号质量而定，对光栅移动的最大速度有限制，实时性相对差一点正切法细分计算两路正交信号幅度之比，再求反正切得到相位值间接查表细分先根据两路正交信号的正负和大小将一个光栅信号周期分为8个相位区间，再根据两路信号绝对值之比进行查表细分其它基于CCD的细分法利用CCD得到莫尔条纹信号的一维图像，再判断条纹亮点或暗点位置细分倍数高，对信号质量要求不高，但成本高适合于要求细分

41、数比较高的场合光纤法细分利用一排光纤形成光纤接收阵列，每束光纤收到相位不同的条纹信号，经光电转换及进一步的信号处理，得到细分信号由于光纤的数值孔径小，刻得到高倍数细分，且细分可靠，但结构复杂，制作难度大适合于要求细分数比较高的场合专用细分芯片如四倍频芯片C5194等可靠、低成本但倍数低，实用性差低倍数的简单细分根据上表所罗列出的各种细分方法的特点，经过系统的分析和比较，可以发现：结合了硬件数字电路高效性和微处理器灵活性的数字化细分方法，在细分性能上，如细分数、细分精度等方面有着优异的表现，于性能与结构复杂性之间找到了一个良好的平衡，同时还具有成本低这一其它同样具备高细分数的细分方法所无法比拟的

42、优势。当然，也应该清楚地意识到由于原理上劣势，使得数字化细分方法只能处理频率较低的莫尔条纹信号，实际应用受到了一定的限制。直接细分输入信号为具有一定相位差(通常为90)的两路方波信号。细分原理是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，辨向就是根据两路方波信号相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。其优点是电路简单，响应速度快，转换时间短。但细分数较低，对信号的相位差要求较高。而本课题中的光栅尺正好是输出的两路相位差为90的方波信号，另外由于本设计细分数较低，利用直接细分放法电路简单，响应速度快，转换时间短的特点，根据它的细分原理（细分原理一般基于两路方波

43、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），本文运用了直接细分方法。由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向（辨向一般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）的问题。2.3 本章小结本章首先介绍了光栅莫尔条纹的形成原理，以及由于其具有运动对应关系和位移放大作用两大特征而得以运用于测量领域，之后描述了光栅传感器输出信号的特点。在信号细分部分，先介绍了三种应用较广的典型细分技术，从原理入手，阐述了它们各自的特点和局限性。文章在以列表的形式展现了现阶段各种细分方法的基本原理、主要优缺点和应用范围，直观清晰的展现了

44、不同种类细分方法的特点，提出数字化细分方法是一种性能优秀，实现简单成本低廉的细分方法。然后稍加分析，指出了本课题理想的细分方案。本章作为全文的理论研究部分，全面地介绍了光栅传感器信号细分系统的相关理论知识，根据课题的实际要求，通过比较选定系统实施方案，为后面的软硬件系统设计部分提供了理论指导。第三章 四细分电路设计3.1 四细分与辨向电路3.1.1光栅尺信号及电路设计要求将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。图3-1 光栅

45、传感器输出信号示意图光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B。如图2-1所示，用A、B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动，四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置：当光栅正向移动时,光栅输出的A相信号的相位超前B相90,则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：0010110100。这样，如果每发生一次变化,可逆计数器便实现一次加计数，一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则一个周期内两相信号也有4次相对变化:0001111000。同理,如果每发生一次变化,可逆计数器便实

46、现一次减计数,在一个周期内,共可实现4次减计数,就实现了反转状态的四倍频计数。当线路受到干扰或出现故障时,可能出现其他状态转换过程,此时计数器不进行计数操作30。传统电路的组成主要有：细分辨向、计数和接口电路等。以上功能可以由通用数字集成电路来完成，但这种设计方法所用芯片多，结构复杂。当然也可以通过单片机以及一些外围芯片来完成，只是这种方法通用性差，编程复杂，而且增大了单片机的负担，使单片机响应其它事件的实时性变差。 随着大规模可编程逻辑器件（CPLD：复杂可编程逻辑器件；FPGA：现场可编程门阵列）的飞速发展，传统的电路设计方法已大为改观。许多传统的逻辑电路完全可以用可编程逻辑器件来代替，并

47、且可提高系统的可靠性，减小PCB的面积，使产品小型化，还有利于保护知识产权。 利用FPGA芯片完成双路光栅尺信号处理、四细分及辨向功能、24位可逆计数器、与微处理品器及各种单片机的并行接口电路。其对外接口信号如图3-2所示。图3-2 智能接口电路的功能图INA1、INB1、INA2、INB2分别为两路A、B信号。作为处理电路 输入信号，这2路信号经四细分、辨向后，可为两路24信可逆计数器提供计数脉冲和方向信号。接口电路包括锁存、译码、清零电路等，通过数据线D0D7、地址线A0A4、片选信号线CS来读写控制与外部微控制器接口。接口采用8位数据总线，计数值及清零命令等数据交换均通过不同口地址的读写

48、完成。该模块的操作与其它智能接口器件相类似。3.1.2四细分及辨向电路设计分析发现,四倍频设计的关键在于鉴别出A、B信号的上升沿和下降沿。鉴别信号上升沿和下降沿的方法很多,但其实质都一样,其原理如图3-3所示。输入信号与其延时信号异或后,就可得到二倍频信号。而对于延时的处理方法也很多,如图3-4所示。微分型电路其信噪比小,抗干扰性差,积分型电路可以提高信噪比,但和微分型电路一样有致命的缺点:当输入信号频率高时,电容充放电不及时,导致输出信号严重变形;对于各路倍频电路来说,电阻和电容的参数不可能完全一致,所以倍频后的各路脉冲宽度不等,而且宽度的调节也比较困难。本设计中采用的数字型延时电路(寄存器

49、延时)可以很好地克服以上延时电路的缺点,延时的时间和各路倍频的脉冲宽度由时钟控制,倍频后的脉冲宽度均匀一致。图3-3 二倍频电路原理图 图3-4 延时电路原理图在FPGA中设计四倍频、鉴相电路一般有两种方法:一种是两路输出:一路输出方向,一路输出脉冲;另一种也是两路输出,一路输出正向脉冲,一路输出反向脉冲。本文采用的是后一种方法。图3-5给出了电路的结构模块图。图3-5电路结构模块图如图3-6所示,这里我们采用4个D触发器锁存输入信号A、B的当前状态及原状态，CLK为周期至少小于编码器脉冲最小周期1/4的同步时钟,经三个异或门和两个与门后输出的正反向四倍频计数脉冲。D触发器对信号进行整形，消除

50、了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A、B，因而提高了系统的抗干扰性能。图3-6 四细分与辨向电路原理图如前所述,这里通过三个异或运算来实现4倍频,对应的两个与门用来实现鉴相。将经过倍频、鉴相后的脉冲信号通过输出端AOUT、BOUT输出，所得到得信号就是经过四倍频后的信号了。3.2电路模拟3.2.1 电路模拟软件Multisim10.0简介本论文中首先用Multisim10.0软件对电路进行了初步的仿真，以此来初步的确定本论文设计的电路在理论上是否可行。Muhisim 10.0是美国国家仪器公司(NI)于2007年推出的EDA(Electronic Design Auto

51、matic)软件的一种，是目前最新版本的电子电路仿真软件，这也是交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。包含电子电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Uhiroute及通信电路分析与设计模块4个部分，这4个部分相互独立，可以分别使用.该软件可以对模拟、数字、模拟数字混合电路进行仿真，克服了传统电子设计工作的诸多限制。Muhisim 10.0这款软件的具有很多优点31，例如：(1)设计与实验同步进行，边设计边实验，修改调试方便；(2)设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计

52、与实验；(3)可以方便地对电路参数进行测试和分析；(4)可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；(5)不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低、速度快、效率高；(6)设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用.通过软件将元器件和仪器集合为一体32。电子设计人员利用这个软件可对所设计的电路进行仿真和调试，一方面可以验证所设计的电路是否能达到所设计的技术指标要求；另一方面，又可通过改变电路的结构、元器件参数，使整个电路的性能达到最佳.使用者根据仿真电路的结果，将实际电路制作出来，这样，不仅降低了电路的设计成本，同时也拓宽了设计人员设计产品的研发思路。目前，该软

53、件的先进设计理念和技术已被越来越多的广大工程技术人员所熟悉和掌握33。3.2.2 电路模拟使用Multisim10.0进行模拟的时候，将输入信号A、B的频率均设置为1M HZ，将时钟信号CLK的频率设置为8M HZ（本设计在仿真过程中之所以将CLK的频率定为A、B的8倍，是因为当定为其它频率的时候，得到的四倍频信号中的脉冲宽窄度不均匀，因此定为8倍）。当信号A的相位超前B的相位时，AOUT输出四倍频脉冲，反之，BOUT输出脉冲。本设计中，将A相位超前于B和A相位落后于B分开来模拟，因此本文将两种情况分别显示。图3-7 A相位超前于B相位90图3-8 A相位落后于B相位90图3-7中表示的就是当

54、A相位超前B相位90的时候，而图3-8表示的就是A相位落后于B相位90的时候。经过Multisim10.0的初步模拟，得出了与要求相符的结果，说明本论文设计的电路时可以实现四倍频的，是可行的。3.3 本章小结 本章首先阐述了课题的电路设计思路。光栅尺输出的是两路信号，因此要对它们进行细分就必须同时进行辨向，本文给出了自己的细分及辨向电路原理图，然后利用Multisim10.0软件对电路进行了初步的模拟，并且给出了仿真图形，模拟结果表明设计的电路是可行的19基于FPGA的光栅尺四细分电路设计与研究第四章 基于FPGA的四细分电路设计与研究4.1概述4.1.1 EDA概述EDA（Electroni

55、c Design Automation）即电子自动化，它是近几年来迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子科学，是20世纪90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言为设计语言、以ASIC（Application Specific Integrated Circuits）为实现载体的电子产品自动化设计过程。设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、

56、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直

57、到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。集成电路技术的发展不断给EDA技术提出新的要求，对EDA技术的发展起了巨大的推动作用。从20世纪60年代中期开始，人们就不断地开发出各种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行集成电路和电子系统的设计。20世纪70到80年代，EDA技术经历了CAD阶段；进入了20世纪80年代以后，EDA发展进入了CAE阶段；而到了90年代以后，就进入了ESDA阶段。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已

58、得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。总的来说，现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错、并用VHDL、Verilong HDL、AB

59、EL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，然后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以使印刷电路板或专用集成电路34。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上，从而使EDA框架日趋标准化。4.1.2 FPGA概述FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）、EPLD （电可编程逻辑器件）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASI

60、C）领域中的一种版定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件们电路数有限的缺点。目前FPGA的品种很多，有XILINX公司的Spartan、Vertex系列、ALTERA公司的FIEX系列、Actel公司的ProASIC系列以及TI公司的TPC系列等。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有： (1)采用FPGA设计ASI

61、C电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 (2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 (3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 (4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 (5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM（随机存储器）中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM（可擦除只读存

62、储器）中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM（可编程只读存储器）编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活35。FPGA是在PAL、GAL等逻辑器件爱你的基础之上发展起来的，同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA还具有众多的优点：(1)集成度高。随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内已可容纳上百万个晶体管，这使得FPGA芯片所能实现的功能也越来越强，同时可以实现系统集成。(2)可以重新配置。用户可以反复的编程、擦除、使用或者在不动外围电路的情况下用不同软件即可实现不同的功能。(3)拥有最优化的资