光栅信息处理及应用

如前所述，当两光栅尺有相对位移时，光栅读数头中的光敏元件根据透过莫尔条纹的光强度变化，将两光栅尺的相对位移即工作台的机械位移转换成了四路两两相差／2的电压信号，这四路电压信号的变化频率代表了两光栅尺相对移动的速度；它们每变化一个周期，表示两光栅尺相对移动了一个栅距；四路信号的超前滞后关系反映了两光栅尺的相对移动方向。但在实际应用中，常常需要将两光栅尺的相对位移表达成易于辨识和应用的数字脉冲量，因此，光栅读数头输出的四路电压信号还必须经过进一步的信息处理，转换成所需的数字脉冲形式。

图4-11给出了一种用于光栅信息处理的线路框图。它由三个部分组成，即放大环节、整形环节和鉴向倍频线路。

1、放大与整形

放大与整形环节与一般系统中采用的原理及结构无多大差别，主要是用以求得电压与功率的图4-11光栅信息处理线路框图放大以及波形的规整。这里的放大环节主要采用的是差动放大器，以抑制各种共模干扰信号的影响及矫正因光栅尺和光栅读数头的机械误差造成的光栅读数头输出信号的相位误差，经过放大环节后，(其初相位分别对应于图4-11中的0，／2，和3／2)四路电压信号变成两路，一路其初相位和频率同一样，一路同一样，分别记为和 (对应于图4-11中放大环节输出的0和／2)。整形环节采用的是电压比较器，其作用是将和转换成同频率同相位的两路方波信号A和B(分别对应于图4-11中的sin和cos)，见图4-12。电压比较器可选用LM311。

图 4-12 整形环节信号输入输出关系

2鉴向倍频

顾名思义，鉴向倍频线路的功能有两个：一是鉴别方向，即根据整形环节输出的两路方波信号A和B的相位关系确定出工作台的移动方向；二是将A和B两路信号进行脉冲倍频，即将图4-13鉴向倍频线路框图一个周期内的一个脉冲(方波)变为四个脉冲，这四个脉冲两两相距1／4周期。因一个周期内的一个脉冲表示工作台移动了一个栅距，这一个周期内的四个脉冲中的每一个则表示了工作台移动了1／4栅距，这样就提高了光栅测量装置的分辨率。

图4-13是鉴向倍频线路的框图，图中实现四倍频的线路如图4-14所示，其波形图见图4-15。这种倍频线路产生的脉冲信号与时钟CP同步，应用比较方便，工作也十分可靠。在该四倍频线路中，时钟脉冲信号的频率要远远高于方波信号A和B的频率以减少倍频后的相移误差。此外，从图4-15也可以看出，真正实现四倍频，和还需要“或”起来，这将由鉴向线路来完成。

图 4-13 鉴相倍频线路框图

图4-14 四倍频线路逻辑图

图4-14 四倍频线路波形图

图4-16是鉴向线路图，它实际上是由一个双“四选一”线路所组成。双“四选一”线路有专用的集成电路。如74LS153，其真值表见表4-2。

图 4-16 鉴向线路图

数据选则	输出
ENB ENA	y
0 0	y=C0
0 1	y=C1
1 0	y=C2
1 1	y=C3

表4-2 双“四选一”线路真值表

如果我们用1y表示正向脉冲输出端，2y表示反向脉冲输出端，根据双“四选一”线路的真值表，可以得到1y和2y的表达式：

（4—17）

（4—18）

由上式可画出方波A滞后于B(即工作台正向移动)和A超前于B(即工作台反向移动)时波形图如图4-17所示。由图中可以看出：工作台正向移动时，在1y端输出了一系列代表移动距离的数字脉冲，而2y端为低电平；反过来，工作台反向移动时，1y端输出的是低电平，而2y端输出了一系列代表移动距离的数字脉冲。因此，只要1y端有脉冲，就表示了工作台正向移动，若2y端有脉冲，则表示工作台反向移动。

图 4-17 鉴向线路波形图

（a）工作台正向移动（b）工作台反向移动