光栅数显装置的集成化设计及数字锁相环的研究
摘要
本文简要介绍了光栅检测装置在国内外的发展动态及光栅测长的基本原理，对比分析了一些传统的莫尔条纹细分方法的优、缺点及适用范围。
基于锁相倍频细分方案，进而提出了采用大规模在系统可编程器件来实现集成化设计的方案。文中将在系统可编程器件和相应的硬件描述语言VHDL作了简要介绍，本文还详细介绍了基于锁相细分理论和ISP设计思想的高集成度的光栅检测装置。
该方案采用软硬件相结合的方法，系统硬件设计具有模块化和多用化的特点，软件针对硬件特点编写，文中给出了各部分硬件电路的基本组成及实现的功能、软件的主程序及各功能子程序的流程图和各子电路的功能仿真。
新型的集成化设计方案具有以下特点：细分数高而且调整方便；采用累积计数，避免大小数分别计数的不协调；细分同时完成辨向；可以在ISP器件内完成计数功能，从而提高了计数器的最高工作频率；同时将方波发生器和一些外围的数字电路集成在一片ISP器件内，提高了系统的集成度，性能可靠稳定；具有硬件设计软件化及在系统可编程的特点，便于电路的修改和功能的扩展。
用ISP设计的适合于光栅检测装置的数字锁相环在第七章作了简要的介绍。系统调试及实验证明了集成化设计方案在实际应用中的可行性。针对栅距为20μm的光栅传感器完成了20细分，分辨率达到1μm。
In this paper, measurement principle and development state of optical grating technology are briefly introduced. The advantages and disadvantages of several classical Moire fringe division methods are analyzed and compared with each other.
Based on Phase-Locked Multi-Frequency division method ,and then a method of using LSI-ISP devices to design to realize integrating designation .This paper briefly introduced ISP devices and hardware description language VHDL ,and designs a kind of high integrated grating digital readout based on division theory and ISP design theory.
The scheme combines the hardware design with software program, which have the features of modularization and all-purposes. The paper gives the basic constitute and function of each part of the hardware circuit, and the follow chart of the main-program and sub-program.
The features of the new type of integration scheme can be described as follow: high division and easy debug are achieved in the scheme; accumulative total is used, and the discord of integer part and decimal part are avoided in the scheme; it can divide as well as detect direction; it can integrate the counter into ISP device and then evaluate the maxim frequency of the counter; it also integrate square wave and some logic devices into ISP device, and then improve integration, reliability, stability; and have the character of software designation instead of hardware designation and in-system programming, and it becomes very easy to modify the circuit and to extend the function.
The digital phase-locked loop designed by ISP, which is adapted to optical grating readout is briefly introduced. System debugging and experiment procedure proves the feasibility of the integration theory. When the pitch of the grating sensor is 20μm, the system can achieve 20 division, and the system minim resolving power is 1μm.
基于锁相倍频细分方案，进而提出了采用大规模在系统可编程器件来实现集成化设计的方案。文中将在系统可编程器件和相应的硬件描述语言VHDL作了简要介绍，本文还详细介绍了基于锁相细分理论和ISP设计思想的高集成度的光栅检测装置。
该方案采用软硬件相结合的方法，系统硬件设计具有模块化和多用化的特点，软件针对硬件特点编写，文中给出了各部分硬件电路的基本组成及实现的功能、软件的主程序及各功能子程序的流程图和各子电路的功能仿真。
新型的集成化设计方案具有以下特点：细分数高而且调整方便；采用累积计数，避免大小数分别计数的不协调；细分同时完成辨向；可以在ISP器件内完成计数功能，从而提高了计数器的最高工作频率；同时将方波发生器和一些外围的数字电路集成在一片ISP器件内，提高了系统的集成度，性能可靠稳定；具有硬件设计软件化及在系统可编程的特点，便于电路的修改和功能的扩展。
用ISP设计的适合于光栅检测装置的数字锁相环在第七章作了简要的介绍。系统调试及实验证明了集成化设计方案在实际应用中的可行性。针对栅距为20μm的光栅传感器完成了20细分，分辨率达到1μm。
In this paper, measurement principle and development state of optical grating technology are briefly introduced. The advantages and disadvantages of several classical Moire fringe division methods are analyzed and compared with each other.
Based on Phase-Locked Multi-Frequency division method ,and then a method of using LSI-ISP devices to design to realize integrating designation .This paper briefly introduced ISP devices and hardware description language VHDL ,and designs a kind of high integrated grating digital readout based on division theory and ISP design theory.
The scheme combines the hardware design with software program, which have the features of modularization and all-purposes. The paper gives the basic constitute and function of each part of the hardware circuit, and the follow chart of the main-program and sub-program.
The features of the new type of integration scheme can be described as follow: high division and easy debug are achieved in the scheme; accumulative total is used, and the discord of integer part and decimal part are avoided in the scheme; it can divide as well as detect direction; it can integrate the counter into ISP device and then evaluate the maxim frequency of the counter; it also integrate square wave and some logic devices into ISP device, and then improve integration, reliability, stability; and have the character of software designation instead of hardware designation and in-system programming, and it becomes very easy to modify the circuit and to extend the function.
The digital phase-locked loop designed by ISP, which is adapted to optical grating readout is briefly introduced. System debugging and experiment procedure proves the feasibility of the integration theory. When the pitch of the grating sensor is 20μm, the system can achieve 20 division, and the system minim resolving power is 1μm.
引文
[1] 李谋．位置检测与数显技术．北京：机械工业出版社，1992
[2] 金喜平．高速高精度光栅数显装置的研究与设计．沈阳工业大学学报，1994，(2)，18～25
[3] 梅笑宇．金属粗光栅鉴相细分理论的研究与实践．硕士研究生论文，1998．7
[4] 卢国纲．国外检测技术的发展和先进的光栅测量技术．中国机床工具工业协会，1997年专项信息
[5] 张善锺．计量光栅技术．北京：机械工业出版社，1985
[6] 黄正谨．在系统编程技术及应用．南京：东南大学出版社，1997
[7] 侯伯亨，顾新编著．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，1999
[8] CIMT’95数显展品的调研与评述．中国机械工具工业协会，1995年专项信息
[9] 高汉文．中国仪电报．第306期，2000(12)，第四版
[10] 曹建海，严拱标．莫尔条纹信号时空脉冲细分技术原理及应用，制造技术与机床，1994(6)，23～26
[11] 戴政远等．时空细分新技术与计算机实现原理的研究．电子与自动化，1997(4)，12～14
[12] 邓宗亮．多功能智能光栅测量系统．仪器仪表学报，1994．15(1)，97-100
[13] 王东文，刘明远等．智能光栅数显系统，工业仪表与自动化装置，1996(2)，35～37
[14] 王惠民．光学仪器信号转换技术．北京：北京理工大学出版社，1993
[15] 常健生．数字传感器．沈阳：东北师范大学出版社，1988
[16] 金喜平等．智能仪器，沈阳：辽宁科学技术出版社，1995
[17] 曾繁泰，陈美金编著．VHDL程序设计，北京：清华大学出版社．2000
[18] 潘松．CPLD／FPGA在电子设计中的应用前景．电子技术应用，1999(7)，6-8
[19] 章开和．用ISPLSI高密度在系统可编程逻辑器件实现双CPU控制器．电子技术，1995(3)，12-14
[20] Meixiaoyu. Study on Digital Readout Device of Metal Geometry Grating,Proceedings of the Fourth International Conference on MEASUREMENT AND CONTROL OF GRANULAR MATERIALS.September 17～19,1997,Shenyang,P.R.China
[21] Huangliang,Wujianchang. fast response phase detector for a phase-locked loop.INT.J.ELECTRONICS Vol.78.No.3.1995,557～568
[22] Ahmedael,Alimirbod. An efficient Software-Controlled PLL for Low-Frequency Applications, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS Vol.35,No Vol.35,No.2,MAY,1998.341～344
[23] 朱庆保．光栅测距及其提高分辨率的一种细分方法．电测与仪表，1995(7)，33～36
[24] 冯显英等．调制型传感器信号处理的细分新技术．仪表技术与传感器，1998(10)，36～38
[25] 宋现春，李春阳．差频式感应同步器微机检测系统及应用．1994(11)，16～18
[26] ZHENCAN F.FAN and MARIO DAGENAIS, Optical Generation of a mHz-Linewidth Microwave Signal Using Semiconductor Lasers and a Discriminator-Aided Phase-Locked Loop, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECNIQUES,Vol.45, No.8, AUGUST, 1997, 1296～1300
[27] 卢广芝．锁相环集成电路的典型应用．集成电路应用，1996(5)，33～34
[28] 吴笃贵等．程控锁相式倍频器及设计，电测与仪表，1995(10)，31～33
[29] 黄金湘．工作范围宽且快速锁定的锁相环路．电测与仪表，1996(10),27～29
[30] Giuseppedemaria,Lorenzo,Sciavicco.Pull-inRange etermination for Class of Phase-Locked Loops,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALAND CONTROL IN STRUMENTATION, Vol. 28.4, NOVEMBER,1981,359～362
[31] 孟超，费业泰．光栅位置检测技术现状及发展．中国仪器仪表，1995(3),4～6
[32] 蒋创新，沈雪林．快速锁相频率合成器．压电与声光，1994(1)，14～16
[33] 张厥胜等编．锁相环路设计．西安：西安电子科技大学出版社．1995
[34] 张厥胜等编．锁相环合成器．西安：西安电子工业出版社，1997
[35] 张厥胜，曹丽娜．锁相与频率合成技术．北京：电子科技大学出版社，1995
[36] [美]D．E．约翰逊，J．R．约翰逊，H．P穆尔．有源滤波器精确设计手册，北京：电子工业出版社，1984
[37] 邵根富等．计量光栅莫尔信号微控制器细分技术的研究，自动化仪表．1997．6
[38] 卢汉生，侯山峰．采用EPLD设计的数字锁相环．光电工程．1997(5)．59-62
[39] 杨春玲，张辉，蔡惟铮，ISPLSI在高速锁相环上的应用．电气传动自动化，1999(4)，61-63
[40] 杨赞，一种用于SDH2Mbit／s支路输出口的全数字锁相环，通讯学报，1998(4)，44-51
[41] 龚建荣，李晓飞．利用FPGA实现数字锁相及频率转换．南京邮电学院学报．1999(4)，83-85
[42] jen-shiun chiang,kuang-yuan chen.The design of an All-digital phase-locked loop with small Dco Hardware and fast phase lock.IEEE Transactions on Circuits and systems-analog and digital signal processing ,1999(7). 945-950
[43] 吴东，张冈．一种实用的掉电检测和保护电路．北京：电子技术应用．1999(6)，69-70
[44] 杨孟华，金喜平．ISP技术在数字锁相环上的应用．北京：仪器仪表学报，2001(4)，322-325
[45] 《中国集成电路大全，TTL集成电路》．北京：国防工业出版社．1985
[46] 何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1990
[2] 金喜平．高速高精度光栅数显装置的研究与设计．沈阳工业大学学报，1994，(2)，18～25
[3] 梅笑宇．金属粗光栅鉴相细分理论的研究与实践．硕士研究生论文，1998．7
[4] 卢国纲．国外检测技术的发展和先进的光栅测量技术．中国机床工具工业协会，1997年专项信息
[5] 张善锺．计量光栅技术．北京：机械工业出版社，1985
[6] 黄正谨．在系统编程技术及应用．南京：东南大学出版社，1997
[7] 侯伯亨，顾新编著．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，1999
[8] CIMT’95数显展品的调研与评述．中国机械工具工业协会，1995年专项信息
[9] 高汉文．中国仪电报．第306期，2000(12)，第四版
[10] 曹建海，严拱标．莫尔条纹信号时空脉冲细分技术原理及应用，制造技术与机床，1994(6)，23～26
[11] 戴政远等．时空细分新技术与计算机实现原理的研究．电子与自动化，1997(4)，12～14
[12] 邓宗亮．多功能智能光栅测量系统．仪器仪表学报，1994．15(1)，97-100
[13] 王东文，刘明远等．智能光栅数显系统，工业仪表与自动化装置，1996(2)，35～37
[14] 王惠民．光学仪器信号转换技术．北京：北京理工大学出版社，1993
[15] 常健生．数字传感器．沈阳：东北师范大学出版社，1988
[16] 金喜平等．智能仪器，沈阳：辽宁科学技术出版社，1995
[17] 曾繁泰，陈美金编著．VHDL程序设计，北京：清华大学出版社．2000
[18] 潘松．CPLD／FPGA在电子设计中的应用前景．电子技术应用，1999(7)，6-8
[19] 章开和．用ISPLSI高密度在系统可编程逻辑器件实现双CPU控制器．电子技术，1995(3)，12-14
[20] Meixiaoyu. Study on Digital Readout Device of Metal Geometry Grating,Proceedings of the Fourth International Conference on MEASUREMENT AND CONTROL OF GRANULAR MATERIALS.September 17～19,1997,Shenyang,P.R.China
[21] Huangliang,Wujianchang. fast response phase detector for a phase-locked loop.INT.J.ELECTRONICS Vol.78.No.3.1995,557～568
[22] Ahmedael,Alimirbod. An efficient Software-Controlled PLL for Low-Frequency Applications, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS Vol.35,No Vol.35,No.2,MAY,1998.341～344
[23] 朱庆保．光栅测距及其提高分辨率的一种细分方法．电测与仪表，1995(7)，33～36
[24] 冯显英等．调制型传感器信号处理的细分新技术．仪表技术与传感器，1998(10)，36～38
[25] 宋现春，李春阳．差频式感应同步器微机检测系统及应用．1994(11)，16～18
[26] ZHENCAN F.FAN and MARIO DAGENAIS, Optical Generation of a mHz-Linewidth Microwave Signal Using Semiconductor Lasers and a Discriminator-Aided Phase-Locked Loop, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECNIQUES,Vol.45, No.8, AUGUST, 1997, 1296～1300
[27] 卢广芝．锁相环集成电路的典型应用．集成电路应用，1996(5)，33～34
[28] 吴笃贵等．程控锁相式倍频器及设计，电测与仪表，1995(10)，31～33
[29] 黄金湘．工作范围宽且快速锁定的锁相环路．电测与仪表，1996(10),27～29
[30] Giuseppedemaria,Lorenzo,Sciavicco.Pull-inRange etermination for Class of Phase-Locked Loops,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALAND CONTROL IN STRUMENTATION, Vol. 28.4, NOVEMBER,1981,359～362
[31] 孟超，费业泰．光栅位置检测技术现状及发展．中国仪器仪表，1995(3),4～6
[32] 蒋创新，沈雪林．快速锁相频率合成器．压电与声光，1994(1)，14～16
[33] 张厥胜等编．锁相环路设计．西安：西安电子科技大学出版社．1995
[34] 张厥胜等编．锁相环合成器．西安：西安电子工业出版社，1997
[35] 张厥胜，曹丽娜．锁相与频率合成技术．北京：电子科技大学出版社，1995
[36] [美]D．E．约翰逊，J．R．约翰逊，H．P穆尔．有源滤波器精确设计手册，北京：电子工业出版社，1984
[37] 邵根富等．计量光栅莫尔信号微控制器细分技术的研究，自动化仪表．1997．6
[38] 卢汉生，侯山峰．采用EPLD设计的数字锁相环．光电工程．1997(5)．59-62
[39] 杨春玲，张辉，蔡惟铮，ISPLSI在高速锁相环上的应用．电气传动自动化，1999(4)，61-63
[40] 杨赞，一种用于SDH2Mbit／s支路输出口的全数字锁相环，通讯学报，1998(4)，44-51
[41] 龚建荣，李晓飞．利用FPGA实现数字锁相及频率转换．南京邮电学院学报．1999(4)，83-85
[42] jen-shiun chiang,kuang-yuan chen.The design of an All-digital phase-locked loop with small Dco Hardware and fast phase lock.IEEE Transactions on Circuits and systems-analog and digital signal processing ,1999(7). 945-950
[43] 吴东，张冈．一种实用的掉电检测和保护电路．北京：电子技术应用．1999(6)，69-70
[44] 杨孟华，金喜平．ISP技术在数字锁相环上的应用．北京：仪器仪表学报，2001(4)，322-325
[45] 《中国集成电路大全，TTL集成电路》．北京：国防工业出版社．1985
[46] 何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1990