光栅传感器信号细分中绝对值电路的设计

    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Vin<0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。[page]

1．2 电路设计二
    图3为改进后的绝对值电路，该电路在电源端分别接一个0．1μF的电容去耦；在运放的同相输入端采用图中电路结构，不仅可以通过调节电位器使零电位趋于稳定，抑制零点漂移，还能对波形的衔接处进行调整；当信号频率增大时，运放芯片会使信号产生一定的延迟，即相位发生偏移，而图中电容C1与电阻构成的电路会引起反相延迟，从而能对信号相位进行校正。

    当输入信号频率为8 kHz时，输出波形图如图4所示。

    当信号频率增大到一定值时，电路二的输出同样会出现失真。例如，当输入信号频率为10kHz时，其输出波形如图5所示。由波形图可知，信号在过零点处的误差达到了约80 mV，显然不合要求。

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1．3 电路设计三
    由于光栅尺输出信号的频率最高能达到20 kHz以上，且随着光栅尺移动速度的不同，信号频率变化也较大，因此要求绝对值电路能对高频信号进行精确处理，并能在动态条件下稳定工作。第二种电路虽然在结构上有所改进，但对高频信号的处理效果仍不理想，如图5所示，不能达到所需要求，而图6所示的第三种绝对值电路可以很好地解决这一问题。

    与之前电路相比，该电路在电源去耦，滤波处理，以及各元器件型号和参数的选择上都有较大的改进。另外，为减小差动放大器上来的信号源电阻，在二极管D1、D2的输出上附加470 Ω的分流电阻。在高频信号输入以及高速化的工作条件下，该电路能对信号进行较好地处理，使输出信号的幅值衰减很小，且过零点处信号基本无偏差。
    当输出信号频率为25 kHz时，该电路的输出波形图如下：

2 结论

    由于光栅尺移动时输出信号的频率大约在5～25 kHz之间，且后续电路要求信号基本稳定，无振荡，因此该绝对值电路应满足以下条件：1)能够在较高频率下正常工作；2)适用于高速化的场合；3)精度较高，信号基本无失真。要保证测量误差在允许范围之内，信号在经过绝对值电路后必须高度保真。通过上述电路分析和比较，综合各种因素可知，第三种绝对值电路应是最佳的选择。