引言
由于光柵尺移動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續(xù)電路要求信號(hào)基本穩(wěn)定，無(wú)振蕩，因此該絕對(duì)值電路應(yīng)滿足以下條件：1)能夠在較高頻率下正常工作；2)適用于高速化的場(chǎng)合；3)精度較高，信號(hào)基本無(wú)失真。要保證測(cè)量誤差在允許范圍之內(nèi)，信號(hào)在經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路后必須高度保真。通過(guò)上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對(duì)值電路應(yīng)是最佳的選擇。
為了達(dá)到較高的細(xì)分倍數(shù)，在對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行粗細(xì)分的同時(shí)，還需要對(duì)位移進(jìn)行精細(xì)分。為提高細(xì)分速度，精細(xì)分電路采用全硬件設(shè)計(jì)，包括絕對(duì)值電路，多路選擇電路及A／D采樣電路。絕對(duì)值電路是模擬電路中處理數(shù)據(jù)信息的一種電路，在各類電子測(cè)電路中有著廣泛的應(yīng)用。尤其在對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化幅值測(cè)量時(shí)，采用絕對(duì)值電路可以將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)采集處理時(shí)去掉符號(hào)位，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。所以絕對(duì)值電路精確與否，對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理電路有著重要的影響。然而，在實(shí)際使用中，由于二極管壓降的存在，信號(hào)頻率的不同，以及元器件參數(shù)誤差等因素的影響，絕對(duì)值電路的輸出往往不夠理想，有時(shí)甚至嚴(yán)重失真，將在一定范圍內(nèi)影響測(cè)量精度。為此，本文著將重探討幾種不同的絕對(duì)值電路，以確定出符合要求的最佳電路。
1 三種絕對(duì)值電路的設(shè)計(jì)方案
1．1 電路設(shè)計(jì)一
資料上如圖1所示的絕對(duì)值電路較為常見(jiàn)。分析電路可知，當(dāng)Vin>0時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，輸入信號(hào)Vin通過(guò)第一級(jí)運(yùn)放U1A反相放大，之后再與Vin一起進(jìn)入后一級(jí)運(yùn)放U1B構(gòu)成反相加法器，根據(jù)電阻匹配關(guān)系，最后輸出為Vout=Vin；當(dāng)Vin<0時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)運(yùn)放U1A處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，所以輸入信號(hào)Vin直接經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1B反相后，得到輸出Vout=-Vin。
圖1 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的絕對(duì)值電路
在實(shí)際電路中，由于電源存在耦合干抗，零電位產(chǎn)生漂移，加之二極管并非理想狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)存在一定壓降，該絕對(duì)值電路效果往往不夠理想。特別是當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，在過(guò)零點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生明顯的失真，從而給信號(hào)的后續(xù)處理帶來(lái)極大的不便。
圖2是當(dāng)信號(hào)頻率為4 kHz時(shí)的輸出波形圖，由圖可知，在過(guò)零點(diǎn)處，幅值誤差為△U=40 mV，假設(shè)精細(xì)分電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行256細(xì)分，信號(hào)幅值為0．5 V。由于光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距位移為0．02mm，則所允許的誤差δ應(yīng)小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而當(dāng)△U=40 mV時(shí)，誤差δ=0．02mmx1／4x1／256x(256x0．04V／0．5V)=0．000 4 μm，明顯超出了測(cè)量誤差所允許的范圍。
圖2 電路-輸出波形圖
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1．2 電路設(shè)計(jì)二
圖3為改進(jìn)后的絕對(duì)值電路，該電路在電源端分別接一個(gè)0．1μF的電容去耦；在運(yùn)放的同相輸入端采用圖中電路結(jié)構(gòu)，不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器使零電位趨于穩(wěn)定，抑制零點(diǎn)漂移，還能對(duì)波形的銜接處進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，運(yùn)放芯片會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生一定的延遲，即相位發(fā)生偏移，而圖中電容C1與電阻構(gòu)成的電路會(huì)引起反相延遲，從而能對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行校正。
圖3 可調(diào)整失調(diào)的絕對(duì)值電路
當(dāng)輸入信號(hào)頻率為8 kHz時(shí)，輸出波形圖如圖4所示。
圖4 輸出波形圖
圖5 信號(hào)頻率為10kHz時(shí)輸出波形圖
當(dāng)信號(hào)頻率增大到一定值時(shí)，電路二的輸出同樣會(huì)出現(xiàn)失真。例如，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為10kHz時(shí)，其輸出波形如圖5所示。由波形圖可知，信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)處的誤差達(dá)到了約80 mV，顯然不合要求。
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1．3 電路設(shè)計(jì)三
由于光柵尺輸出信號(hào)的頻率最高能達(dá)到20 kHz以上，且隨著光柵尺移動(dòng)速度的不同，信號(hào)頻率變化也較大，因此要求絕對(duì)值電路能對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行精確處理，并能在動(dòng)態(tài)條件下穩(wěn)定工作。第二種電路雖然在結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，但對(duì)高頻信號(hào)的處理效果仍不理想，如圖5所示，不能達(dá)到所需要求，而圖6所示的第三種絕對(duì)值電路可以很好地解決這一問(wèn)題。
與之前電路相比，該電路在電源去耦，濾波處理，以及各元器件型號(hào)和參數(shù)的選擇上都有較大的改進(jìn)。另外，為減小差動(dòng)放大器上來(lái)的信號(hào)源電阻，在二極管D1、D2的輸出上附加470 Ω的分流電阻。在高頻信號(hào)輸入以及高速化的工作條件下，該電路能對(duì)信號(hào)進(jìn)行較好地處理，使輸出信號(hào)的幅值衰減很小，且過(guò)零點(diǎn)處信號(hào)基本無(wú)偏差。
圖6 高速化的絕對(duì)值電路
當(dāng)輸出信號(hào)頻率為25 kHz時(shí)，該電路的輸出波形圖如下：
圖7 輸出波形圖
2 結(jié)論
由于光柵尺移動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續(xù)電路要求信號(hào)基本穩(wěn)定，無(wú)振蕩，因此該絕對(duì)值電路應(yīng)滿足以下條件：1)能夠在較高頻率下正常工作；2)適用于高速化的場(chǎng)合；3)精度較高，信號(hào)基本無(wú)失真。要保證測(cè)量誤差在允許范圍之內(nèi)，信號(hào)在經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路后必須高度保真。通過(guò)上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對(duì)值電路應(yīng)是最佳的選擇。
