光柵傳感器信號(hào)細(xì)分中絕對值電路的設(shè)計(jì)

摘要：針對光柵傳感器信號(hào)精細(xì)分中絕對值電路存在的常見問題，以提高測量精度為目標(biāo)，通過不斷改進(jìn)模擬電路的結(jié)構(gòu)，選取不同型號(hào)的運(yùn)放芯片，同時(shí)使電路中的電阻、電容等元器件的參數(shù)達(dá)到最佳匹配，在不同頻率的輸入信號(hào)作用下，反復(fù)測試，最后得出了一種在高頻輸入的條件下輸出信號(hào)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(dá)到0.01μm。
關(guān)鍵詞：光柵；精細(xì)分；絕對值電路；分辨力

為了達(dá)到較高的細(xì)分倍數(shù)，在對光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行粗細(xì)分的同時(shí)，還需要對位移進(jìn)行精細(xì)分。為提高細(xì)分速度，精細(xì)分電路采用全硬件設(shè)計(jì)，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(yīng)用。尤其在對正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化幅值測量時(shí)，采用絕對值電路可以將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)采集處理時(shí)去掉符號(hào)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(hào)處理電路有著重要的影響。然而，在實(shí)際使用中，由于二極管壓降的存在，信號(hào)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(shí)甚至嚴(yán)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(shè)計(jì)方案
1．1 電路設(shè)計(jì)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(dāng)Vin>0時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，輸入信號(hào)Vin通過第一級(jí)運(yùn)放U1A反相放大，之后再與Vin一起進(jìn)入后一級(jí)運(yùn)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(dāng)Vin0時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)運(yùn)放U1A處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，所以輸入信號(hào)Vin直接經(jīng)過運(yùn)放U1B反相后，得到輸出Vout=-Vin。

在實(shí)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(dǎo)通時(shí)存在一定壓降，該絕對值電路效果往往不夠理想。特別是當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，在過零點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生明顯的失真，從而給信號(hào)的后續(xù)處理帶來極大的不便。

圖2是當(dāng)信號(hào)頻率為4 kHz時(shí)的輸出波形圖，由圖可知，在過零點(diǎn)處，幅值誤差為△U=40 mV，假設(shè)精細(xì)分電路對信號(hào)進(jìn)行256細(xì)分，信號(hào)幅值為0．5 V。由于光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距位移為0．02mm，則所允許的誤差δ應(yīng)小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而當(dāng)△U=40 mV時(shí)，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。