一种光栅信号细分装置

1.本实用新型涉及精密位移测量领域，具体是一种光栅信号细分装置。


背景技术：

2.光栅作为一个基本的位移测量单元，被广泛应用与精密量仪、智能制造装备等领域。由于光刻工艺的限制，光栅尺的刻线密度难以进一步提高，需要通过电子细分来提高位移测量分辨力及精度，特别是对于纳米级精度的测量需求，必须通过高倍数、高线性度的细分装置来实现。
3.目前主要的光栅信号细分方法可分为硬件细分方法和软件细分方法。硬件细分方法通常响应速度快，但是难以实现稳定的高倍细分，软件细分方法的细分倍数较大，但是软件运算所导致的延时会降低系统响应速度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种光栅信号细分装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种光栅信号细分装置，包括信号调制模块、时间测量模块和控制计算模块；所述信号调制模块与光栅信号输出线相连，用于对所述光栅信号进行时间调制，并对应输出包含有光栅位移信息的时间调制信号；时间测量模块与信号调制模块相连，用于对所述时间调制信号进行时间测量，并对应输出测得的时间值；控制计算模块分别与信号调制模块和时间测量模块相连，用于对所述信号调制模块和时间测量模块进行数据读写与控制，同时根据所述时间值计算细分位移值并输出所述细分位移值；所述信号调制模块包括依次连接的第一放大器和第二放大器、第一滤波器和第二滤波器、乘法da转换器、减法器；其中，所述第一放大器和第二放大器为所述信号调制模块的输入端，所述减法器为所述信号调制模块的输出端，所述乘法da转换器为所述信号调制模块的读写控制端；所述时间测量模块包括：依次连接的第三滤波器、第三放大器、比较器、tdc；其中所述滤波器为所述时间测量模块的输入端，所述tdc为时间测量模块的输出端及读写控制端；所述控制计算模块包括：处理器和数据接口。
7.所述信号调制模块中，第一放大器和第二放大器、第一滤波器和第二滤波器、乘法da转换器、减法器依次连接；所述第一放大器由运放u1a、电阻r3、电阻r4组成，第二放大器由运放u1b、电阻r9、电阻r10组成，两个放大器分别对光栅信号中的正弦信号ua和余弦信号ub进行放大；所述第一滤波器由运放u5a、电阻r1和电容c1组成，第二滤波器由运放u5b、电阻r6和电容c3组成，两个滤波器分别对所述第一放大信号和第二放大信号进行滤波；所述乘法da转换器由da芯片u7、运放u8b、运放u8a、运放u9b、运放u9a、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7组成，用于所述第一滤波信号与所述第一载波信号、所述第二滤波信号与所述第二载波信号的乘法运算；所述减法器由运放u9、电阻r12、电阻r11、电阻r13、电阻r14组成，用
于第一驻波信号u
z1
与第二驻波信号u
z2
的减法运算。
8.所述第一放大器和所述第二放大器均为同相比例放大器；所述第一滤波器和所述第二滤波器均为一阶低通滤波器；所述乘法da转换器具有双通道并能够同时工作。
9.所述时间测量模块中，第三滤波器、第三放大器、比较器、tdc依次连接；所述第三滤波器由运放u2、电阻r2、电容c2组成，对所述时间调制信号进行滤波；所述第三放大器由运放u3、电阻r7、r8组成，对所述第三滤波信号进行放大；所述比较器由芯片u4、电阻r5组成，对第三放大信号进行过零比较；所述tdc由芯片u6、晶振y1组成，对所述时间脉冲信号与所述时间基准信号进行精密时间测量。
10.所述第三滤波器为一阶低通滤波器，所述第三放大器为同相比例放大器。
11.所述控制计算模块中，处理器由处理器u11、晶振y2、电阻r24、电阻r26、电阻r28、电阻r30、电阻r15、电容c31、电容c33、电容c37、电容c17、电容c18、电感l1、开关s1组成，用于对乘法da转换器和tdc的控制及数据读写，同时完成位移值计算；所述数据接口由芯片u12、电容c22、电容c26、电容c23、电容c27、连接器j1组成，用于发送位移值至其他设备。
12.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型利用单片乘法da转换器在产生载波信号的同时即完成信号调制，简化了系统结构；利用tdc完成精密时间测量，提高了测量测量分辨力和精度，同时减小了软件处理运算量；从而为高倍细分与响应速度的矛盾问题提供了有力的解决方案。
附图说明
13.图1表示本实用新型实施例提供的光栅信号细分装置结构框图；
14.图2表示本实用新型实施例提供的信号调制模块电路图；
15.图3表示本实用新型实施例提供的时间测量模块电路图；
16.图4表示本实用新型实施例提供的控制计算模块电路图；
17.图5表示本实用新型实施例提供的光栅信号细分方法示意图；
18.图6表示本实用新型实施例提供的光栅信号细分装置信号转换波形图。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，
可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
22.请参阅图1，一种光栅信号细分装置，包括信号调制模块、时间测量模块和控制计算模块。
23.所述信号调制模块与光栅信号输出线相连，用于对所述光栅信号进行时间调制，并对应输出包含有光栅位移信息的时间调制信号；时间测量模块与信号调制模块相连，用于对所述时间调制信号进行时间测量，并对应输出测得的时间值；控制计算模块分别与信号调制模块和时间测量模块相连，用于对所述信号调制模块和时间测量模块进行数据读写与控制，同时根据所述时间值计算细分位移值并输出所述细分位移值。
24.进一步，所述信号调制模块包括：依次连接的第一放大器和第二放大器、第一滤波器和第二滤波器、乘法da转换器、减法器；其中，所述第一放大器和第二放大器为所述信号调制模块的输入端，所述减法器为所述信号调制模块的输出端，所述乘法da转换器为所述信号调制模块的读写控制端。
25.进一步，所述时间测量模块包括：依次连接的第三滤波器、第三放大器、比较器、tdc；其中所述滤波器为所述时间测量模块的输入端，所述tdc为时间测量模块的输出端及读写控制端。
26.进一步，所述控制计算模块包括：处理器和数据接口。
27.如图2所示，所述信号调制模块中，第一放大器和第二放大器、第一滤波器和第二滤波器、乘法da转换器、减法器依次连接；所述第一放大器由运放u1a、电阻r3、电阻r4组成，第二放大器由运放u1b、电阻r9、电阻r10组成，两个放大器分别对光栅信号中的正弦信号ua和余弦信号ub进行放大；所述第一滤波器由运放u5a、电阻r1和电容c1组成，第二滤波器由运放u5b、电阻r6和电容c3组成，两个滤波器分别对所述第一放大信号和第二放大信号进行滤波；所述乘法da转换器由da芯片u7、运放u8b、运放u8a、运放u9b、运放u9a、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7组成，用于所述第一滤波信号与所述第一载波信号、所述第二滤波信号与所述第二载波信号的乘法运算；所述减法器由运放u9、电阻r12、电阻r11、电阻r13、电阻r14组成，用于第一驻波信号u
z1
与第二驻波信号u
z2
的减法运算。
28.正弦信号ua从运放u1a的同相输入端输入，所述余弦信号ub从运放u1b的同相输入端输入，载波信号以二进制形式从u7的da_data端口输入，da控制信号从u7的da_ctrl端口输入。
29.优选地，所述第一放大器和所述第二放大器均为同相比例放大器；所述第一滤波器和所述第二滤波器均为一阶低通滤波器；所述乘法da转换器具有双通道并能够同时工作。
30.如图3所示，所述时间测量模块中，第三滤波器、第三放大器、比较器、tdc依次连接；所述第三滤波器由运放u2、电阻r2、电容c2组成，对所述时间调制信号进行滤波；所述第三放大器由运放u3、电阻r7、r8组成，对所述第三滤波信号进行放大；所述比较器由芯片u4、电阻r5组成，对第三放大信号进行过零比较；所述tdc由芯片u6、晶振y1组成，对所述时间脉冲信号与所述时间基准信号进行精密时间测量。
31.其中，时间调制信号u
t
从r2左端输入，所述时间基准信号ur从u6的99号引脚输入，所述时间值δt从u6的tdc_data端口以二进制形式输出，tdc控制信号经u6的tdc_ctrl端口
进行交互。
32.优选地，所述第三滤波器为一阶低通滤波器，所述第三放大器为同相比例放大器。
33.如图4所示，所述控制计算模块中，处理器由处理器u11、晶振y2、电阻r24、电阻r26、电阻r28、电阻r30、电阻r15、电容c31、电容c33、电容c37、电容c17、电容c18、电感l1、开关s1组成，用于对乘法da转换器和tdc的控制及数据读写，同时完成位移值计算；所述数据接口由芯片u12、电容c22、电容c26、电容c23、电容c27、连接器j1组成，用于发送位移值至其他设备。
34.其中，第一载波信号和第二载波信号以二进制形式从u11的da_data端口输出，乘法da转换器控制信号从u11的da_ctrl端口输出，时间基准信号ur从u11的53号引脚输出，时间值从u11的tdc_data端口以二进制形式输入，tdc控制信号经u11的tdc_ctrl端口进行交互，位移值经所述连接器j1发送至其他设备。
35.如图5、6所示，本实用新型可选实施例提供的细分方法，应用于如上所述的光栅信号细分装置，所述方法包括：
36.步骤10，通过所述信号调制模块采集所述光栅信号，并将光栅信号所包含的位移信息调制到时间调制信号上；
37.步骤20，通过所述时间测量模块对所述时间调制信号进行时间测量，并输出测得的时间值；
38.步骤30，根据所述时间值计算得到细分位移值。
39.该实施例中，通过步骤10，光栅信号的正弦信号ua，经第一放大器后得到第一放大信号，第一放大信号经过所述第一滤波器后得到第一滤波信号，第一滤波信号与第一载波信号在所述乘法da转换器中完成乘法运算，并得到第一驻波信号u
z1
；光栅信号的余弦信号ub经所述第二放大器后得到第二放大信号，第二放大信号经过所述第二滤波器后得到第二滤波信号，第二滤波信号与第二载波信号在所述乘法da转换器u7中完成乘法运算，并得到第二驻波信号u
z2
；第一驻波信号u
z1
与所述第二驻波信号u
z2
在所述减法器中完成减法运算，并得到时间调制信号u
t
。
40.该实施例中，所述第一驻波信号u
z1
及第二驻波信号u
z2
用公式表达为：
[0041][0042][0043]
所述时间调制信u
t
用公式表达为：
[0044][0045]
式中，s为光栅位移，w为光栅栅距，t为时间变量，t为载波信号周期。
[0046]
该实施例中，通过步骤20，时间调制信号u
t
经过所述滤波器后得到第三滤波信号，第三滤波信号经所述放大器后得到第三放大信号，第三放大信号经过比较器后得到时间脉
冲信号u
p
；时间脉冲信号u
p
与时间基准信号ur在tdc中完成时间测量，并得到时间值δt。
[0047]
该实施例中，通过步骤30，处理器u11产生第一载波信号和第二载波信号的二进制数据，并控制乘法da转换器u7产生第一载波信号和第二载波信号；处理器u11产生时间基准信号ur，并读取所述时间值δt；处理器u11根据所述时间值δt计算位移值s；
[0048]
该实施例中，计算所述位移值s的公式表达为：
[0049][0050]
其中w为光栅固有参数，t可以根据实际需求进行设定。
[0051]
本实用新型实施例的方法，利用单片乘法da转换器在产生载波信号的同时即完成信号调制，简化了系统结构；利用tdc完成精密时间测量，提高了测量测量分辨力和精度，同时减小了软件处理运算量；从而为高倍细分与响应速度的矛盾问题提供了有力的解决方案。
[0052]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0053]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。