中心議題：

• 一種硬件細分方法的研究與應用

解決方案：

• 采取純硬件進行細分的方法
• 實現高倍頻細分

1　引　言

目前

，各類伺服驅動器及其應用中廣泛采用光柵裝置作為速度測量、位置測量的敏感元件。而且，廣泛采用兩路正交方波的形式，係統的實時性要求極高。因此，對於光柵編碼器的信號的細分等主要處理環節
，一方麵集中考慮提高分辨率的問題
，同時，需要考慮實時性的問題。

盡管高速單片機
、DSP等(deng)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)處(chu)理(li)器(qi)件(jian)的(de)應(ying)用(yong)可(ke)以(yi)極(ji)大(da)地(di)改(gai)善(shan)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)
，但(dan)是(shi)做(zuo)除(chu)法(fa)運(yun)算(suan)仍(reng)需(xu)較(jiao)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)，大(da)約(yue)為(wei)幾(ji)百(bai)微(wei)秒(miao)，無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)實(shi)時(shi)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)，因(yin)此(ci)，軟(ruan)件(jian)細(xi)分(fen)的(de)方(fang)法(fa)受(shou)到(dao)了(le)限(xian)製(zhi)。

目(mu)前(qian)，有(you)很(hen)多(duo)采(cai)取(qu)純(chun)硬(ying)件(jian)進(jin)行(xing)細(xi)分(fen)的(de)方(fang)法(fa)，如(ru)，電(dian)阻(zu)鏈(lian)細(xi)分(fen)
，空(kong)間(jian)細(xi)分(fen)
，鎖(suo)相(xiang)倍(bei)頻(pin)，還(hai)有(you)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)等(deng)。上(shang)述(shu)幾(ji)種(zhong)方(fang)法(fa)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)被(bei)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)電(dian)阻(zu)鏈(lian)細(xi)分(fen)
，在(zai)低(di)倍(bei)頻(pin)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)一(yi)種(zhong)很(hen)好(hao)的(de)方(fang)案(an)。但(dan)是(shi)在(zai)高(gao)倍(bei)頻(pin)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)出(chu)現(xian)大(da)量(liang)使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)，以(yi)及(ji)比(bi)較(jiao)器(qi)死(si)區(qu)（滯後區）問(wen)題(ti)，難(nan)以(yi)調(tiao)節(jie)。空(kong)間(jian)細(xi)分(fen)的(de)方(fang)法(fa)中(zhong)，主(zhu)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)切(qie)割(ge)電(dian)平(ping)精(jing)準(zhun)的(de)問(wen)題(ti)
，其(qi)中(zhong)的(de)三(san)角(jiao)波(bo)切(qie)割(ge)三(san)角(jiao)波(bo)的(de)方(fang)案(an)有(you)很(hen)多(duo)優(you)點(dian)
，可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)使(shi)用(yong)過(guo)零(ling)比(bi)較(jiao)造(zao)成(cheng)的(de)細(xi)分(fen)誤(wu)差(cha)。但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)大(da)量(liang)使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)問(wen)題(ti)
，調(tiao)節(jie)起(qi)來(lai)比(bi)較(jiao)繁(fan)瑣(suo)。鎖(suo)相(xiang)倍(bei)頻(pin)細(xi)分(fen)的(de)方(fang)法(fa)，一(yi)方(fang)麵(mian)，成(cheng)本(ben)較(jiao)前(qian)兩(liang)種(zhong)高(gao)
，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，受(shou)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)比(bi)較(jiao)大(da)
，實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)很(hen)少(shao)采(cai)用(yong)。本(ben)文(wen)從(cong)原(yuan)理(li)上(shang)考(kao)慮(lv)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)細(xi)分(fen)方(fang)案(an)
，使(shi)用(yong)取(qu)絕(jue)對(dui)值(zhi)，八(ba)卦(gua)限(xian)理(li)論(lun)，利(li)用(yong)ASIC器件（速度為納秒級）對信號進行邏輯運算和處理等一整套純粹硬件的信號細分方案
，並通過調試和實際應用
，驗證了該方案的可行性。

2　細分原理及框圖

細分主要由以下幾個部分構成

，取絕對值、提取卦限信號、A／D轉換、查細分表、邏輯運算等。係統框圖如圖1所示。 濾波
、放大、整形電路對於輸入原始信號sinx、cosx進行初步處理
，在幅值、對稱性、正(zheng)交(jiao)性(xing)等(deng)方(fang)麵(mian)滿(man)足(zu)後(hou)續(xu)電(dian)路(lu)的(de)要(yao)求(qiu)。取(qu)絕(jue)對(dui)值(zhi)電(dian)路(lu)根(gen)據(ju)二(er)極(ji)管(guan)截(jie)止(zhi)導(dao)通(tong)特(te)性(xing)，並(bing)結(jie)合(he)基(ji)本(ben)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)，設(she)計(ji)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)

，使(shi)其(qi)uo＝｜ui｜輸出，實現對輸入信號的倍頻


，兩路信號交錯形成八個卦區以及相應的卦限信號。

A／D轉換模塊對絕對值信號進行采樣轉化，如圖2所示：模擬多路開關在卦限控製信號的作用下，對絕對值信號進行選擇，其輸出分別作為A／D轉換的輸入信號和參考信號。A／D轉換受控於采樣控製信號，其輸出數據與采樣時刻的相位信號對應。 如ru果guo將jiang該gai數shu據ju與yu相xiang位wei之zhi間jian的de對dui應ying關guan係xi用yong一yi張zhang表biao來lai描miao述shu，就jiu是shi我wo們men所suo建jian立li的de細xi分fen表biao。但dan是shi由you於yu細xi分fen倍bei數shu的de不bu同tong，兩liang者zhe之zhi間jian並bing不bu是shi一yi一yi對dui應ying關guan係xi。
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3　硬件設計與調試

從原理上可以看出
，該細分模塊的技術關鍵是比較器整形產生的卦限信號和A／D模(mo)塊(kuai)產(chan)生(sheng)的(de)地(di)址(zhi)信(xin)號(hao)必(bi)須(xu)同(tong)步(bu)，這(zhe)是(shi)能(neng)否(fou)正(zheng)確(que)細(xi)分(fen)的(de)關(guan)鍵(jian)。因(yin)此(ci)，在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)滯(zhi)後(hou)及(ji)其(qi)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)是(shi)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)和(he)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)。在(zai)抗(kang)幹(gan)擾(rao)方(fang)麵(mian)，采(cai)用(yong)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)
，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)。考(kao)慮(lv)其(qi)滯(zhi)後(hou)問(wen)題(ti)
，采(cai)用(yong)整(zheng)形(xing)電(dian)路(lu)與(yu)取(qu)絕(jue)對(dui)值(zhi)電(dian)路(lu)分(fen)離(li)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)各(ge)個(ge)運(yun)放(fang)的(de)直(zhi)流(liu)參(can)數(shu)，使(shi)得(de)卦(gua)限(xian)信(xin)號(hao)與(yu)絕(jue)對(dui)值(zhi)信(xin)號(hao)能(neng)夠(gou)近(jin)似(si)同(tong)步(bu)
，否(fou)則(ze)，產(chan)生(sheng)的(de)細(xi)分(fen)方(fang)波(bo)將(jiang)會(hui)在(zai)過(guo)零(ling)處(chu)變(bian)得(de)混(hun)亂(luan)。如(ru)圖(tu)3所示
，對其中sinx信號取絕對值及整形，這樣一來，既方便了調試
，也避免了幹擾及比較器的滯後問題。 邏輯控製電路及運算模塊主要完成對A／D轉換模塊的采樣控製
、讀存儲器（細分表）、運算輸出細分正交方波等邏輯。整個模塊由FPGA來實現。外圍晶振提供10MHz的時鍾，由分頻模塊進行分頻，實現周期為2μs（滿足係統最大500kHz的反饋要求）的脈衝列作為采樣控製信號。在A／D轉換模塊完成采樣轉換並且轉換結束信號／INT為低電平時
，此時，卦限信號及地址信號在存儲器的地址信號線上有效，在FPGA內部經過邏輯判斷後，發出讀（／RD）命令。讀取的數據經鎖存後提供給後序運算模塊，經判斷運算後輸出正交細分方波。

4　檢測及檢測結果 如圖4所(suo)示(shi)，我(wo)們(men)搭(da)建(jian)了(le)細(xi)分(fen)檢(jian)測(ce)硬(ying)件(jian)平(ping)台(tai)，由(you)標(biao)定(ding)係(xi)統(tong)一(yi)維(wei)平(ping)轉(zhuan)台(tai)和(he)同(tong)軸(zhou)的(de)圓(yuan)光(guang)柵(zha)編(bian)碼(ma)器(qi)構(gou)成(cheng)。數(shu)顯(xian)裝(zhuang)置(zhi)顯(xian)示(shi)了(le)標(biao)定(ding)轉(zhuan)台(tai)實(shi)際(ji)轉(zhuan)過(guo)的(de)角(jiao)度(du)，同(tong)時(shi)，主(zhu)機(ji)通(tong)過(guo)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)對(dui)細(xi)分(fen)方(fang)波(bo)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)並(bing)顯(xian)示(shi)，經(jing)過(guo)多(duo)次(ci)測(ce)量(liang)，兩(liang)顯(xian)示(shi)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)e≤1，即
，小於等於一個當量

，達到了設計目的。同時，通過伺服驅動的一維平轉台係統及檢測機構來定量地檢測分析細分誤差
，初始位置：3′26．3″，末位置：2′50．7″
，差值：3′26．3″－2′50．7″＝35．6″，36．0″－35．6″＝0．4″，結果如表1所示。 5　結束語

采用純硬件的手段可以滿足係統實時性的要求，采樣速度為2μs。同時，采用該方法可以實現高倍頻細分
，滿足大多數係統對於兩路正交反饋方波的需求
，可以在光柵編碼器信號處理中采用。