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基于FPGA的光栅数显装置的研究与设计

作　者: 孟凡波
导　师: 郭雨梅
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 细分跟踪速度分辨率锁相倍频
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光栅计量技术以光栅位移传感器输出信号为基础,测量物体的位移量及辨别物体的移动方向。本文以50线/毫米光栅位移传感器为例,采用载波调制和锁相倍频相结合的细分方案,在实现较大位移跟踪速度的同时实现较高的分辨率,解决了光栅传感器信号细分时存在的分辨率提高位移跟踪速度下降这一普遍问题。给出了锁相倍频细分方法在同步范围和截止频率内可以实现的最大位移跟踪速度与分辨率的数学关系,以此为依据研究设计了基于FPGA的光栅数显装置。介绍了光栅位移传感器的发展状况、组成原理、莫尔条纹信号产生机理、输出信号特征及测量原理。总结了5种具有代表性的信号细分方法。详细论述了锁相倍频细分电路的基本组成、工作原理及参数设置。给出了载波调制和锁相倍频细分的数学依据,使用Matlab和QuartusⅡ建模、仿真了载波调制电路和锁相倍频细分电路,验证了该方法的可行性和正确性。根据信号处理需求,设计系统时选择了高速、高摆率、高带宽器件。使用PSpice软件分析仿真了差放、载波调制、求和、滤波、整形等硬件电路,以确保信号基本不会失真。使用Verilog语言和FPGA芯片实现了ALTPLL、锁相倍频细分、定时器、光栅信号倍频计数器、N倍频载波计数器、减法与辨向、位移累加与乘法、码制转换与显示等软件实现的程序模块。利用FPGA和数模转换芯片研制了光栅模拟信号源。利用本文提出的细分方法设计光栅测控系统时,可根据实际需要选取不同的锁相倍频细分电路中心频率值和M、N、K等参数值,以满足不同分辨率和跟踪速度的要求,使系统能较方便地得到最优化参数,为光栅系统的设计提供了有力的数学依据。利用FPGA芯片强大的资源进行系统设计,减少了分立器件的数量,提高了系统的稳定性,实现了设计的数字化和集成化,具有一定的实际应用价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-15
  1.1 课题背景及出处  11-12
  1.2 光栅位移传感器及细分技术的发展状况  12-13
    1.2.1 国外发展状况  12-13
    1.2.2 国内发展状况  13
  1.3 本文研究的主要内容  13-15
第二章光栅位移传感器测量原理及细分  15-30
  2.1 光栅莫尔条纹信号的形成机理及特性  15-18
  2.2 光栅位移传感器的输出信号  18-19
  2.3 光栅位移传感器细分测量原理  19-21
  2.4 光栅信号细分技术  21-29
    2.4.1 电阻链细分法  21-22
    2.4.2 幅值切割细分方法  22-23
    2.4.3 乘法倍频细分方法  23-24
    2.4.4 模拟锁相环细分方法  24-27
    2.4.5 载波调制鉴相细分方法  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章基于锁相倍频的光栅信号细分方法研究  30-56
  3.1 锁相倍频细分方法  30-37
    3.1.1 全数字锁相环  30-35
    3.1.2 基于FPGA的载波调制锁相倍频细分方法  35-37
  3.2 位移跟踪速度与分辨率的关系  37-42
    3.2.1 全数字锁相环的工作概况  37-39
    3.2.2 全数字锁相环的数学模型  39-40
    3.2.3 锁相倍频细分方法中位移跟踪速度与分辨率的关系  40-42
  3.3 锁相倍频细分电路和载波调制电路的仿真验证  42-55
    3.3.1 全数字锁相环的参数设置  42-44
    3.3.2 全数字锁相环的模型仿真  44-46
    3.3.3 锁相倍频细分电路的实现及仿真  46-50
    3.3.4 载波调制的理论分析  50-52
    3.3.5 Simulink建模仿真验证载波调制电路  52-55
  3.4 本章小结  55-56
第四章系统硬软件设计与开发  56-75
  4.1 仪表用放大器的设计  56-59
  4.2 载波调制电路的设计  59-61
  4.3 带通滤波器的设计  61-63
  4.4 整形电路的设计  63-66
  4.5 信号调理电路的设计  66-68
  4.6 系统软件的设计  68-73
    4.6.1 FPGA总体程序设计框图  69
    4.6.2 锁相倍频细分电路的程序设计  69-70
    4.6.3 定时模块的程序设计  70-71
    4.6.4 计数模块的程序设计  71
    4.6.5 减法与辨向模块的程序设计  71-72
    4.6.6 位移累加和相乘模块的程序设计  72-73
    4.6.7 码制转换与显示模块的程序设计  73
  4.7 本章小结  73-75
第五章光栅模拟信号源研制与系统调试  75-87
  5.1 光栅传感器模拟输出信号的设计  75-84
    5.1.1 模拟信号发生器的设计原理和参数确定  75-77
    5.1.2 ROM数据采集和信号发生器的FPGA实现  77-79
    5.1.3 低通滤波器设计  79-82
    5.1.4 硬件设计  82-84
  5.2 系统调试  84-86
  5.3 本章小结  86-87
第六章结论  87-88
参考文献  88-90
在学研究成果  90-91
致谢  91

基于FPGA的光栅数显装置的研究与设计

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