光栅传感器信号细分中绝对值电路的设计

摘要：针对光栅传感器信号精细分中绝对值电路存在的常见问题，以提高测量精度为目标，通过不断改进模拟电路的结构，选取不同型号的运放芯片，同时使电路中的电阻、电容等元器件的参数达到最佳匹配，在不同频率的输入信号作用下，反复测试，最后得出了一种在高频输入的条件下输出信号能高度保真的绝对值电路，从而使光栅传感器对位移测量的分辨力可达到0.01μm。
关键词：光栅；精细分；绝对值电路；分辨力

为了达到较高的细分倍数，在对光栅莫尔条纹信号进行粗细分的同时，还需要对位移进行精细分。为提高细分速度，精细分电路采用全硬件设计，包括绝对值电路，多路选择电路及A／D采样电路。绝对值电路是模拟电路中处理数据信息的一种电路，在各类电子测电路中有着广泛的应用。尤其在对正弦信号进行数字化幅值测量时，采用绝对值电路可以将双极性信号转换为单极性信号，便于计算机采集处理时去掉符号位，提高模数转换的精度。所以绝对值电路精确与否，对后续的信号处理电路有着重要的影响。然而，在实际使用中，由于二极管压降的存在，信号频率的不同，以及元器件参数误差等因素的影响，绝对值电路的输出往往不够理想，有时甚至严重失真，将在一定范围内影响测量精度。为此，本文着将重探讨几种不同的绝对值电路，以确定出符合要求的最佳电路。

1 三种绝对值电路的设计方案
1．1 电路设计一
资料上如图1所示的绝对值电路较为常见。分析电路可知，当Vin>0时，D1截止，D2导通，输入信号Vin通过第一级运放U1A反相放大，之后再与Vin一起进入后一级运放U1B构成反相加法器，根据电阻匹配关系，最后输出为Vout=Vin；当Vin0时，D1导通，D2截止，此时运放U1A处于深度负反馈状态，所以输入信号Vin直接经过运放U1B反相后，得到输出Vout=-Vin。

在实际电路中，由于电源存在耦合干抗，零电位产生漂移，加之二极管并非理想状态，导通时存在一定压降，该绝对值电路效果往往不够理想。特别是当输入信号频率较高时，在过零点处会产生明显的失真，从而给信号的后续处理带来极大的不便。

图2是当信号频率为4 kHz时的输出波形图，由图可知，在过零点处，幅值误差为△U=40 mV，假设精细分电路对信号进行256细分，信号幅值为0．5 V。由于光栅尺移动一个栅距位移为0．02mm，则所允许的误差δ应小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而当△U=40 mV时，误差δ=0．02mmx1／4x1／256x(256x0．04V／0．5V)=0．000 4 μm，明显超出了测量误差所允许的范围。