一种光栅尺细分技术的研究

论文摘要

光栅尺作为一种位移或角度的传感器，已经广泛应用于现代工业、国防等测控技术领域，其技术发展和应用要求的不断提高，对光栅测量系统的测量精度提出了更高要求。对光栅尺输出的莫尔条纹信号进行细分研究，已经作为一种提高其精度的有效方法。本文通过研究光栅尺位移测量的基本原理和莫尔条纹的细分技术，提出了一种新的细分方法和设计方案，分析了模拟信号的差分放大电路、移相电路、AD转换电路及FPGA数字电路等。重点研究了1/8周期正弦信号的非线性细分CORDIC算法原理，采用VHDL语言实现了CORDIC算法的相位解算，有效避免了反正切函数线性拟合引入的细分误差，保证了高倍非线性细分的数据在位移解算过程中的有效性。同时采用IEEE-754单精度浮点运算方法，比定点运算提高了细分精度。设计并实现了该细分算法的FPGA硬件处理平台，采用并行流水线结构，实现了粗码计数、辨向及AD转换器的数据采集，采用CORDIC算法，实现了相位非线性解算、位移浮点运算、浮点数译码、液晶实时显示及UART串口通信等。最后对硬件处理系统进行了调试、测试，并对测试结果以及影响测量精度的因素进行了分析，提出了进一步的改进措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光栅测量技术发展概况
• 1.2 光栅细分技术研究及发展概况
• 1.3 论文研究目的与研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 光栅尺测量原理及细分技术
• 2.1 光栅尺测量
• 2.1.1 莫尔条纹信号的产生及特性
• 2.1.2 光栅测量原理
• 2.2 光栅莫尔条纹细分技术
• 2.2.1 传统电子学细分技术
• 2.2.2 细分方案设计
• 2.2.3 坐标旋转细分算法设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 光栅尺测量电路硬件设计与实现
• 3.1 硬件电路总体设计
• 3.2 模拟电路设计
• 3.2.1 电源电路
• 3.2.2 预处理放大电路
• 3.3 数字电路设计
• 3.3.1 模数转换电路
• 3.3.2 AD9826 的驱动设计与实现
• 3.3.3 粗码计数与辨向模块
• 3.3.4 坐标平移模块
• 3.3.5 CORIDC算法相位解算模块
• 3.3.6 精码相对起点捕获模块
• 3.3.7 浮点运算模块
• 3.3.8 浮点数的十进制BCD译码模块
• 3.3.9 LCD1602 液晶显示模块
• 3.3.10 RS232 串口通信模块
• 3.3.11 FPGA的数据配置电路
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验与分析
• 4.1 光栅尺精度测量实验
• 4.2 误差分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文的研究工作及成果
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢