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構，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，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據信息的一種電路，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字化幅值測量時，采用絕對值電路可以將雙極性信號轉換為單極性信號，便于計算機采集處理時去掉符號位，提高模數轉換的精度。所以絕對值電路精確與否，對后續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構成反相加法器，根據電阻匹配關系，最后輸出為Vout=Vin；當Vin0時，D1導通，D2截止，此時運放U1A處于深度負反饋狀態，所以輸入信號Vin直接經過運放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，零電位產生漂移，加之二極管并非理想狀態，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，在過零點處會產生明顯的失真，從而給信號的后續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。