劉 泊，程 添，覃思勇，盧俊龍

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與儀器系，黑龍江 哈爾濱 150080）

為了達(dá)到較高的細(xì)分倍數(shù)，在對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行粗細(xì)分的同時(shí)，還需要對(duì)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(duì)值電路，多路選擇電路及A/D采樣電路。絕對(duì)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(cè)量電路中有著廣泛的應(yīng)用。尤其在對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化幅值測(cè)量時(shí)，采用絕對(duì)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(duì)值電路精確與否，對(duì)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(duì)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(cè)量精度。為此，本文著將重探討幾種不同的絕對(duì)值電路，以確定出符合要求的最佳電路。

1 三種絕對(duì)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(duì)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)Vin＜0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[1]。

圖1 簡單結(jié)構(gòu)的絕對(duì)值電路Fig.1 Absolute value circuit with simple structure

在實(shí)際電路中，由于電源存在耦合干擾，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(duì)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ΔU=40 mV，假設(shè)精細(xì)分電路對(duì)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0.02 mm，則所允許的誤差δ應(yīng)小于0.02 mm×1/4×1/256=0.019 5 μm，而當(dāng) ΔU=40 mV 時(shí)，誤差 δ=0.02mm×1/4×1/256×（256×0.04V/0.5V）=0.000 4 μm， 明顯超出了測(cè)量誤差所允許的范圍[2]。

圖2 電路一輸出波形圖Fig.2 Output waveform diagram of the circuit one

1.2 電路設(shè)計(jì)二

圖3為改進(jìn)后的絕對(duì)值電路，該電路在電源端分別接一個(gè)0.1 μF的電容去耦；在運(yùn)放的同相輸入端采用圖中電路結(jié)構(gòu)，不僅可以通過調(diào)節(jié)電位器使零電位趨于穩(wěn)定，抑制零點(diǎn)漂移，還能對(duì)波形的銜接處進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，運(yùn)放芯片會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生一定的延遲，即相位發(fā)生偏移，而圖中電容C1與電阻構(gòu)成的電路會(huì)引起反相延遲，從而能對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行校正[3]。

圖3 可調(diào)整失調(diào)的絕對(duì)值電路Fig.3 Absolute value circuit with the function of adjusting disorders

當(dāng)輸入信號(hào)頻率為8 kHz時(shí)，輸出波形圖如圖4所示。

當(dāng)信號(hào)頻率增大到一定值時(shí)，電路二的輸出同樣會(huì)出現(xiàn)失真。例如，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為10 kHz時(shí)，其輸出波形如圖5所示。由波形圖可知，信號(hào)在過零點(diǎn)處的誤差達(dá)到了約80 mV，顯然不合要求。

圖4 輸出波形圖Fig.4 Output waveform diagram

圖5 信號(hào)頻率為10 kHz時(shí)輸出波形圖Fig.5 Output waveform diagram of the circuit at the frequency of 10kHz

1.3 電路設(shè)計(jì)三

由于光柵尺輸出信號(hào)的頻率最高能達(dá)到20 kHz以上，且隨著光柵尺移動(dòng)速度的不同，信號(hào)頻率變化也較大，因此要求絕對(duì)值電路能對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行精確處理，并能在動(dòng)態(tài)條件下穩(wěn)定工作。第二種電路雖然在結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，但對(duì)高頻信號(hào)的處理效果仍不理想，如圖5所示，不能達(dá)到所需要求，而圖6所示的第三種絕對(duì)值電路可以很好地解決這一問題[4]。

與之前電路相比，該電路在電源去耦，濾波處理，以及各元器件型號(hào)和參數(shù)的選擇上都有較大的改進(jìn)。另外，為減小差動(dòng)放大器上來的信號(hào)源電阻，在二極管D1、D2的輸出上附加470 Ω的分流電阻。在高頻信號(hào)輸入以及高速化的工作條件下，該電路能對(duì)信號(hào)進(jìn)行較好地處理，使輸出信號(hào)的幅值衰減很小，且過零點(diǎn)處信號(hào)基本無偏差[5]。

圖6 高速化的絕對(duì)值電路Fig.6 High-speed absolute value circuit

當(dāng)輸出信號(hào)頻率為25 kHz時(shí)，該電路的輸出波形圖如下：

圖7 輸出波形圖Fig.7 Output waveform diagram

2 結(jié) 論

由于光柵尺移動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續(xù)電路要求信號(hào)基本穩(wěn)定，無振蕩，因此該絕對(duì)值電路應(yīng)滿足以下條件：1）能夠在較高頻率下正常工作；2）適用于高速化的場(chǎng)合；3）精度較高，信號(hào)基本無失真[6]。要保證測(cè)量誤差在允許范圍之內(nèi)，信號(hào)在經(jīng)過絕對(duì)值電路后必須高度保真。通過上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對(duì)值電路應(yīng)是最佳的選擇。

[1]張國雄.測(cè)控電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]劉世峰.基于幅值采樣的光柵莫爾條紋信號(hào)細(xì)分技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3]馬場(chǎng)清太郎.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].何希才，譯.北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]稻田保.模擬技術(shù)應(yīng)用技巧101例[M].關(guān)靜，胡圣堯，譯.北京：科學(xué)出版社，2006.

[5]袁海文，李榮源，張勇.一種有源絕對(duì)值電路的缺陷分析和改進(jìn)[J].電工技術(shù)雜志，2001，18（1）：50-51.YUAN Hai-wen，LI Rong-yuan，ZHANG Yong.Analysis of the limitation and improvement of one power absolute circuit[J].Electrotechnical Journal，2001，18（1）：50-51.

[6]陳靜秋，王百鳴，彭文達(dá).電流模式的絕對(duì)值電路[J].中國西部科技，2008， 5（1）：19-21.CHEN Jing-qiu，WANG Bai-ming，PENG Wen-da.A absolute value circuit in current mode[J].Science and Technology of West China，2008， 5（1）：19-21.