光柵傳感器信號細(xì)分中絕對值電路的設(shè)計

摘要：針對光柵傳感器信號精細(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)，選取不同型號的運(yùn)放芯片，同時使電路中的電阻、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進(jìn)行粗細(xì)分的同時，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，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。尤其在對正弦信號進(jìn)行數(shù)字化幅值測量時，采用絕對值電路可以將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號，便于計算機(jī)采集處理時去掉符號位，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)計方案
1．1 電路設(shè)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(dāng)Vin>0時，D1截止，D2導(dǎo)通，輸入信號Vin通過第一級運(yùn)放U1A反相放大，之后再與Vin一起進(jìn)入后一級運(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，D1導(dǎo)通，D2截止，此時運(yùn)放U1A處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，所以輸入信號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)輸入信號頻率較高時，在過零點(diǎn)處會產(chǎn)生明顯的失真，從而給信號的后續(xù)處理帶來極大的不便。

圖2是當(dāng)信號頻率為4 kHz時的輸出波形圖，由圖可知，在過零點(diǎn)處，幅值誤差為△U=40 mV，假設(shè)精細(xì)分電路對信號進(jìn)行256細(xì)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(yīng)小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而當(dāng)△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。