球面衍射光栅传感器信号处理系统的研究

论文摘要

近年来表面测量向着大量程、高分辨率的方向发展。随着技术的发展,迫切需要研制出适用于大量程测量的表面测量仪,将激光、光栅干涉技术与传统的触针测量技术相结合,充分利用触针式测量技术的稳定可靠成熟,干涉法测量分辨率高和量程大的特点,是一种很有前途的测量方法。另一方面,对光路输出信号的细分处理成为提高分辨率的一种重要手段。提高测量信号的精度和频率响应,需要有更好的数据处理系统,来保证数据的准确获取和正确处理。本文针对球面衍射光栅干涉光路的信号处理要求,研制了球面衍射光栅信号处理系统,具体研究内容如下:在新的光路结构中,球面光栅作为传感元件,用激光在球面光栅上的二次衍射光作为相干光从而形成干涉条纹。利用多普勒效应原理,推导出光栅干涉条纹的变化与微位移之间确定的函数关系,确定整体测量方案。电路采集的是光栅干涉条纹信号,硬件电路的设计分为模拟部分和数字部分。模拟部分主要以光电二极管为核心,对光栅条纹信号进行接收并通过光电转换、差分放大、滤波等步骤得到满足系统要求的正弦信号。AD转换芯片TLC5510对模拟信号进行高速采样,用可编程逻辑器件EP1C6T144C8N (FPGA)对数字信号进行处理。以QuartusⅡ为开发平台,采用Verilog HDL语言对各个模块编程设计,最后通过顶层模块的连接实现了时序逻辑。实验表明,上述信号处理系统,可以满足对球面光栅干涉信号处理的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 表面形貌测量的发展现状
• 1.2.1 接触式测量方法
• 1.2.2 光学测量方法
• 1.2.3 非光学扫描探针显微镜
• 1.3 光栅信号测量及细分电路的发展与现状
• 1.3.1 光栅测量技术特点
• 1.3.2 信号细分研究现状
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 光栅信号处理系统原理
• 2.1 系统总体测量原理
• 2.2 球面光栅传感器的光学原理
• 2.2.1 光学多普勒效应
• 2.2.2 光栅测量光路原理
• 2.3 光电转换原理
• 2.3.1 光生伏特效应
• 2.3.2 光电二极管特性曲线
• 2.4 信号处理系统设计原理
• 2.4.1 光电信号转换设计原理
• 2.4.2 噪声分析
• 2.5 ROM 细分原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 系统硬件电路设计
• 3.1 硬件总体设计方案
• 3.2 光电转换设计
• 3.2.1 前置放大电路
• 3.2.2 差分放大电路
• 3.2.3 滤波器设计
• 3.3 模数转换
• 3.4 FPGA 选型及外围电路设计
• 3.4.1 FPGA 简介及选型
• 3.4.2 FPGA 外围电路设计
• 3.4.3 USB 通讯接口
• 3.5 本章小结
• 第4章 Verilog 软件设计
• 4.1 软件总体设计流程
• 4.2 FPGA 软件模块的Verilog 设计
• 4.2.1 Verilog 语言简介
• 4.2.2 时钟分频模块
• 4.2.3 AD 转换器控制模块
• 4.2.4 ROM 模块
• 4.2.5 辨向计数模块
• 4.2.6 数据分时发送模块
• 4.3 USB 通讯的Verilog 设计
• 4.3.1 接口芯片CY7C68013 工作模式
• 4.3.2 同步FIFO 写数据的Verilog 实现
• 4.3.3 同步FIFO 读数据的Verilog 实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统电路调试与仿真
• 5.1 FPGA 电路调试与功能仿真
• 5.1.1 AD 接口控制模块时序仿真
• 5.1.2 时钟分频时序仿真
• 5.1.3 辨向计数模块时序仿真
• 5.1.4 ROM 模块时序仿真
• 5.1.5 数据分时发送模块时序仿真
• 5.1.6 同步FIFO 写数据模块时序仿真
• 5.2 测试实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 系统数字电路图
• 附录2 FPGA 顶层模块设计
• 致谢