張 巖， 張春富， 尤其澤

(1. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

0 引 言

21世紀(jì)以來，隨著美國“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計劃”、德國“工業(yè)4.0”等創(chuàng)新戰(zhàn)略計劃的提出，拉開了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命的序幕[1]。我國為了跟上時代的步伐實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，提出了“中國制造2025”的戰(zhàn)略計劃。數(shù)控機(jī)床是制造執(zhí)行體系的基本單元，也是現(xiàn)代化大生產(chǎn)的主要特征之一，在生產(chǎn)制造業(yè)產(chǎn)生著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[2-3]。數(shù)控機(jī)床中工件的裝夾定位及加工精度是評價機(jī)床性能的一個重要指標(biāo)，高精度、高分辨率的位移檢測是保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的重要手段[4-6]，所以高精密位移測量技術(shù)對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)步和發(fā)展起著決定性的作用。光柵編碼器位移測量系統(tǒng)因具有高精度、高分辨率、響應(yīng)速度快以及可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)測量的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床[7-11]。

光柵編碼器位移測量系統(tǒng)的測量精度由光柵信號的細(xì)分精度決定，而光柵信號的細(xì)分精度受光柵信號質(zhì)量的制約。光柵信號本身含有較大的直流分量，將光柵編碼器實(shí)際應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床時，其光柵信號受高頻噪聲影響較為嚴(yán)重[12]。為了獲得純凈的光柵信號實(shí)現(xiàn)光柵編碼器位移測量系統(tǒng)的高精密測量，需要對光柵信號進(jìn)行前期的去直流和濾波處理。又因噪聲頻帶較寬且光柵信號的頻率無規(guī)律性可尋，所以光柵信號前置處理電路需要具有自適應(yīng)性。

本文設(shè)計了一種光柵信號前置處理電路，來減小由直流分量及高頻噪聲對光柵信號細(xì)分精度產(chǎn)生的影響，進(jìn)而提高光柵編碼器位移測量系統(tǒng)的測量精度。利用差分放大電路對共模信號的抑制作用來去除光柵信號中的直流分量。通過由數(shù)字電位器構(gòu)成的2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路濾除光柵信號中的高頻噪聲。該前置處理電路可以有效去除光柵信號中的直流分量，并跟蹤光柵信號頻率實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波。其輸出的信號滿足后續(xù)光柵信號高倍細(xì)分的要求，為實(shí)現(xiàn)光柵編碼器位移測量系統(tǒng)的高精度測量打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計

光柵編碼器輸出的光柵信號為4路理論上相位相差90°的正弦信號，由于原始光柵信號中含有較大的直流分量及噪聲，使光柵信號細(xì)分倍數(shù)受到限制，所以需要對信號進(jìn)行前置處理。經(jīng)過處理后的信號為一路正弦信號和一路余弦信號。光柵信號前置處理電路由差分放大電路、測頻電路、單片機(jī)、自適應(yīng)濾波電路以及存儲器組成，總體框圖如圖1所示。其中，差分放大電路用于去除原始光柵信號中的直流分量和偶次諧波；測頻電路用于測量光柵信號的頻率；單片機(jī)用于控制數(shù)字電位器進(jìn)行阻值調(diào)節(jié)以及對存儲器進(jìn)行讀寫；自適應(yīng)濾波電路用于濾除信號中的噪聲；存儲器用于存儲自適應(yīng)濾波電路的截止頻率-阻值對照表。

2 硬件設(shè)計

2.1 差分放大電路

光柵編碼器輸出的光柵信號帶有較大的直流分量，所以需要設(shè)計一個具有去直流功能的信號處理電路。差分放大電路是一種應(yīng)用廣泛的信號處理電路，它對差模信號有較強(qiáng)的放大能力，而對共模信號有較強(qiáng)的抑制能力[13]?？梢杂行У南鈻判盘栔械闹绷鞣至恳约芭即沃C波。如圖2為本文所采用的差分放大電路圖，輸入信號U1+U1msinωt、U2-U2msinωt分別由輸入電阻加在運(yùn)放的同相端和反相端，輸出則為一路正弦信號，另外兩路信號采用同樣的輸出方法輸出為一路余弦信號。為了保證運(yùn)放輸入平衡，一般要求輸入電阻相等，即R1=R2，R3=R4[14]。

圖1 總體設(shè)計框圖

圖2 差分放大電路

2.2 測頻電路

測頻電路由滯回比較電路與單片機(jī)的定時/計數(shù)器組成，如圖3所示。通過這種方式對信號進(jìn)行測頻，其測頻精度與門控時間設(shè)置有關(guān)，門控時間越長測頻精度越高，但實(shí)時性差。因本文對測頻精度要求不高，所以將單片機(jī)定時器T0的門控時間設(shè)置為50 ms，計數(shù)器T1對在門控時間內(nèi)通過的方波信號進(jìn)行計數(shù)，在門控時間結(jié)束時查看計數(shù)器T1的計數(shù)值N，利用下式便可計算出當(dāng)前輸入的光柵信號頻率：

圖3 測頻電路

fi=20N

(1)

2.3 自適應(yīng)濾波電路

因光柵信號應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床時易受高頻噪聲干擾，所以需要對其進(jìn)行濾波處理。濾波電路階數(shù)越高濾波效果越理想，但對硬件精度要求高且電路易產(chǎn)生振蕩，所以根據(jù)實(shí)際需要本文設(shè)計了一款2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路，如圖4所示。

圖4 2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路

該濾波電路的設(shè)計方程如下：

其中，式(2)是2階Sallen-Key低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。根據(jù)式(5)可以計算出該濾波電路的截止頻率。當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時，式(5)可以簡化為式(6)。式(2)～(6)中：Q為品質(zhì)因數(shù)；ωc為特征角頻率(rad·s-1)；R1、R2為濾波電路中的電阻(Ω)；C1、C2為濾波電路中的電容(μF);fc為濾波電路截止頻率(Hz)。

由于光柵信號頻率在0～20 kHz不斷變化，所以濾波電路需要具有跟蹤光柵信號頻率的變化來改變自身截止頻率的能力，即自適應(yīng)性。由上述公式可以發(fā)現(xiàn)，通過改變電阻值便可改變截止頻率，因此，將電阻R1、R2用數(shù)字電位器來代替，單片機(jī)根據(jù)光柵信號頻率控制數(shù)字電位器改變阻值，進(jìn)而改變?yōu)V波電路的截止頻率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波。

該濾波電路的核心器件是單片機(jī)和數(shù)字電位器。其中，單片機(jī)采用的是STC89C52RC，數(shù)字電位器采用的是AD5293。AD5293是一個單通道，分辨率為10 bit的數(shù)字可變電阻器[15]。該數(shù)字電位器采用SPI串行通信方式，本文采用STC89C52RC模擬SPI接口與之通信，對AD5293進(jìn)行初始化和設(shè)置。單片機(jī)和數(shù)字電位器的通信采用Daisy-Chain的控制方式，這樣可以減少I/O口的使用，如圖5所示。

圖5 Daisy-Chain示意圖

為了提高濾波電路的截頻設(shè)置精度將數(shù)字電位器以串并聯(lián)的方式組合之后作為2階Sallen-Key電路中的一個電阻使用，如圖6所示。當(dāng)2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路采用兩個未組合數(shù)字電位器分別替換電路中的電阻R1、R2時，其允許通過的光柵信號頻率范圍為0～10 kHz，無法滿足本文要求。若采用兩個組合之后的數(shù)字電位器分別代替電阻R1、R2，其允許通過的光柵信號頻率范圍為0～21 kHz，可以滿足要求。

圖6 數(shù)字電位器串并聯(lián)示意圖

表1是輸入的光柵信號頻率為1、3、5、7、9 kHz時，單個數(shù)字電位器組成的2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路的截止頻率fc1和串并聯(lián)后的數(shù)字電位器組成的2階Sallen-Key自適應(yīng)低通濾波電路的截止頻率fc2理論值與實(shí)際值的比較結(jié)果及相對誤差。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，將數(shù)字電位器串并聯(lián)之后組成的自適應(yīng)低通濾波電路的截止頻率能跟蹤光柵信號頻率自動適應(yīng)，且有良好的線性關(guān)系。

表1 并聯(lián)前后截止頻率理論值與實(shí)測值對照表

3 軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計流程圖如圖7所示，系統(tǒng)上電后，首先對數(shù)字電位器進(jìn)行初始化，然后單片機(jī)對輸入信號進(jìn)行測頻，根據(jù)測頻結(jié)果在存儲器內(nèi)的阻值頻率對照表中進(jìn)行查找相近的頻率值，該頻率值要稍微大于或等于測量值以便于濾波更精確，最后單片機(jī)根據(jù)查找到的頻率值所對應(yīng)的阻值對數(shù)字電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而改變?yōu)V波器的截止頻率完成濾波。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)時設(shè)置輸入信號頻率fi在0～20 kHz變化，用示波器觀察光柵信號前置處理電路對輸入信號的處理效果。圖8～9所示分別為輸入光柵信號頻率為12 Hz和20 kHz，噪聲頻率為37 Hz和41 kHz，濾波器截止頻率為12.2 Hz和20.56 kHz時，信號處理前后對比圖，其中通道1為輸入帶有噪聲的光柵信號波形，通道2是前置處理電路的輸出信號波形，通過對比發(fā)現(xiàn)，該光柵信號前置處理電路的處理效果良好。

圖8 12 Hz處理前后波形對比圖

圖9 20 kHz處理前后波形對比圖

5 結(jié) 論

本文主要介紹了光柵信號前置處理電路的原理及結(jié)構(gòu)，設(shè)計了處理電路的硬件和軟件。通過理論研究和實(shí)驗(yàn)分析可得出如下結(jié)論：

(1) 對于頻率變化范圍在0～20 kHz，幅值為(0.5±3.5)V的光柵信號，該前置處理電路可以有效去除信號中的直流分量以及用于數(shù)控機(jī)床時受到的高頻噪聲。

(2) 該光柵信號前置處理電路中的濾波電路部分相對于普通自適應(yīng)低通濾波電路而言，截頻設(shè)置精度更高，其截止頻率相對誤差小于3.5%。濾波效果良好，自適應(yīng)能力強(qiáng)。

(3) 該光柵信號前置處理電路還存在一些不足之處有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提高該前置處理電路的實(shí)時性。