本發(fā)明應(yīng)用于光柵、激光干涉儀等以正交弦波測(cè)量信號(hào)為基礎(chǔ)的測(cè)量場(chǎng)合，具體的說(shuō)是一種正余弦測(cè)量信號(hào)的修正模塊及其方法。

背景技術(shù)：

光柵傳感器、激光干涉儀等以正交弦波信號(hào)為基礎(chǔ)的測(cè)量工具在各種測(cè)量場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，工業(yè)上常見(jiàn)的信號(hào)處理流程為：光電信號(hào)轉(zhuǎn)換-前置放大-差動(dòng)放大-辨向與細(xì)分。理想情況下，差動(dòng)放大后應(yīng)得到兩路零直流漂移、幅值相等、相位差為90°的完美正交弦波信號(hào)(參閱圖5虛線(xiàn)所示，其李薩如圖為圓心在原點(diǎn)的橢圓)，從而為后續(xù)細(xì)分、辨向及計(jì)數(shù)提供精度保證，然而因?yàn)楦鞣N因素的影響，實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)之間會(huì)不可避免地存在一定偏差(參閱圖5實(shí)線(xiàn))，對(duì)這種信號(hào)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，而以此信號(hào)作為控制回路中的反饋信息時(shí)，將會(huì)引起嚴(yán)重的控制錯(cuò)誤。故需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的信號(hào)修正方案來(lái)設(shè)法減小此偏差，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

目前，多數(shù)文獻(xiàn)和實(shí)際測(cè)量中都采用軟件擬合的方法對(duì)正余弦測(cè)量信號(hào)中存在的直流漂移、不等幅、非正交化三類(lèi)誤差進(jìn)行修正，理論上可以通過(guò)增加采樣率無(wú)限逼近真實(shí)的弦波信號(hào)，并采用數(shù)學(xué)擬合的方法求取三類(lèi)誤差并進(jìn)行消除，但軟件修正方法增加了信號(hào)采集軟件的復(fù)雜性及處理器負(fù)擔(dān)，且由于信號(hào)采集精度受限于a/d轉(zhuǎn)換位數(shù)、采樣率等因素，使得用于誤差修正的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)間依舊存在一定偏差且難以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種正余弦測(cè)量信號(hào)的修正模塊及其方法，以期能實(shí)時(shí)修正弦波測(cè)量信號(hào)中存在的直流漂移、幅值不等、非正交化三類(lèi)誤差，從而為后續(xù)細(xì)分、辨向和計(jì)數(shù)提供高質(zhì)量信號(hào)，以提高測(cè)量精度，并減輕后續(xù)軟件修正負(fù)擔(dān)。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種正余弦測(cè)量信號(hào)的修正模塊的特點(diǎn)包括：正弦差放單元、正弦去直流漂移單元、正弦幅值調(diào)節(jié)單元、余弦差放單元、余弦去直流漂移單元、余弦幅值調(diào)節(jié)單元和正交化單元；

所述正弦差放單元接收相位差為180°的兩路正弦信號(hào)sin+和sin-并進(jìn)行處理，得到一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0并提供給所述正弦去直流漂移單元進(jìn)行處理，得到零直流漂移正弦信號(hào)sin1；由所述正弦幅值調(diào)節(jié)單元對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到校正后的正弦信號(hào)sin2，并提供給所述正交化單元；

所述余弦差放單元接收相位差為180°的兩路余弦信號(hào)cos+和cos-并進(jìn)行處理，得到一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0并提供給所述余弦去直流漂移單元進(jìn)行處理，得到零直流漂移余弦信號(hào)cos1；由所述余弦幅值調(diào)節(jié)單元對(duì)所述零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到校正后的余弦信號(hào)cos2，并提供給所述正交化單元；

所述正交化單元對(duì)所述校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2進(jìn)行正交化處理，得到嚴(yán)格正交、幅值相等、直流漂移為零的正弦信號(hào)sin和余弦信號(hào)cos。

本發(fā)明所述的正余弦測(cè)量信號(hào)的修正模塊的特點(diǎn)也在于，所述正弦去直流漂移單元或余弦去直流漂移單元包括：低通濾波器和加法電路；

由所述低通濾波器獲取所接收到的一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0或一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0中的直流漂移信號(hào)，并提供給所述加法電路用于去除所述直流漂移信號(hào)，從而得到零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1。

所述正弦幅值調(diào)節(jié)單元或余弦幅值調(diào)節(jié)單元包括：第一絕對(duì)值電路、采樣保持電路、微分電路、第二絕對(duì)值電路、窗口比較器和除法電路；

由所述第一絕對(duì)值電路對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行取絕對(duì)值處理，得到的結(jié)果提供給所述采樣保持電路；

由所述微分電路對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行微分處理，得到微分信號(hào)并提供給所述第二絕對(duì)值電路；所述第二絕對(duì)值電路對(duì)所述微分信號(hào)進(jìn)行取絕對(duì)值處理，得到的結(jié)果提供給所述窗口比較器進(jìn)行處理，得到觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給所述采樣保持電路；

所述采樣保持電路根據(jù)所接收到的觸發(fā)信號(hào)，對(duì)所述第一絕對(duì)值電路的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)幅值采集，從而獲得連續(xù)變化的幅值信息并提供給所述除法電路；

所述除法電路對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1與所述幅值信息進(jìn)行除法計(jì)算，從而得到校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2。

當(dāng)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1的幅值變化同步時(shí)，所述正弦幅值調(diào)節(jié)單元和余弦幅值調(diào)節(jié)單元還可以利用電阻分壓法對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到校正后幅值相等的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2。

本發(fā)明一種正余弦測(cè)量信號(hào)的修正方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、對(duì)相位差為180°的兩路正弦信號(hào)sin+和sin-進(jìn)行差動(dòng)放大處理，得到一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0；同時(shí)，對(duì)相位差為180°的兩路余弦信號(hào)cos+和cos-進(jìn)行差動(dòng)放大處理，得到一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0；

步驟2、利用低通濾波器獲取所述一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0或一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0中的直流漂移信號(hào)，并利用加法電路去除所述一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0或一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0中的直流漂移信號(hào)，得到零直流漂移正弦信號(hào)sin1和零直流漂移余弦信號(hào)cos1；

步驟3、對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1和零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行等幅調(diào)節(jié)，得到校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2；

步驟3.1、對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1和零直流漂移余弦信號(hào)cos1分別進(jìn)行取絕對(duì)值處理，得到相應(yīng)的第一絕對(duì)值結(jié)果用于幅值采集；

步驟3.2、對(duì)所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1和零直流漂移余弦信號(hào)cos1分別進(jìn)行微分處理后再取絕對(duì)值，得到相應(yīng)的第二絕對(duì)值結(jié)果再進(jìn)行窗口比較，從而獲得相應(yīng)的幅值采集觸發(fā)信號(hào)；

步驟3.3、根據(jù)相應(yīng)的幅值采集觸發(fā)信號(hào)，分別對(duì)相應(yīng)的第一絕對(duì)值結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)幅值采集，從而獲得相應(yīng)的連續(xù)變化的幅值信息；

步驟3.4、將所述零直流漂移正弦信號(hào)sin1和零直流漂移余弦信號(hào)cos1分別與相應(yīng)的幅值信息進(jìn)行除法計(jì)算，從而得到校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2；

步驟4、對(duì)所述校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2進(jìn)行正交化處理，得到嚴(yán)格正交、幅值相等、直流漂移為零的正弦信號(hào)sin和余弦信號(hào)cos。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、相較于常用的軟件修正方法，本發(fā)明是一種不借助任何軟件手段的正余弦測(cè)量信號(hào)修正方法，采用純硬件電路手段對(duì)兩路正余弦測(cè)量信號(hào)中存在的直流漂移、幅值不等、非正交化三類(lèi)誤差進(jìn)行修正，克服軟件擬合方法需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算、擬合的弱點(diǎn)，大大降低了后續(xù)信號(hào)采集軟件的復(fù)雜性，且可直接使用專(zhuān)用插值芯片對(duì)修正后的信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)細(xì)分得到便于辨向計(jì)數(shù)的方波信號(hào)。

2、相較于現(xiàn)有的硬件電路修正方案，本發(fā)明可對(duì)三類(lèi)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，具體體現(xiàn)在：本發(fā)明使用低通濾波器實(shí)時(shí)獲取信號(hào)中不斷變化的直流漂移并通過(guò)加法電路對(duì)其進(jìn)行消除，克服了現(xiàn)有方法中不能對(duì)正余弦測(cè)量信號(hào)中的直流漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)消除的缺陷；本發(fā)明利用原信號(hào)取微分后的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為每個(gè)周期內(nèi)幅值信息的采集信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)正余弦測(cè)量信號(hào)幅值信息的實(shí)時(shí)獲取，并將原信號(hào)與獲取到的該幅值信息相除，實(shí)時(shí)修正信號(hào)幅值，得到幅值始終為一的正余弦測(cè)量信號(hào)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法對(duì)幅值不斷變化的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)幅值修正的缺陷。

3、對(duì)于存在非正交化誤差(即相位差不是90°)的兩路正余弦測(cè)量信號(hào)，目前常用的正交化方法是，在調(diào)節(jié)兩路信號(hào)幅值相等的基礎(chǔ)上對(duì)其分別相加減，因?yàn)榉迪嗟葧r(shí)，兩路信號(hào)矢量圖為菱形的相鄰兩邊，兩信號(hào)的和與差即為該菱形的兩個(gè)對(duì)角線(xiàn)，而菱形對(duì)角線(xiàn)必正交(原理參閱圖6)，但受限于不能對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與修正，故而現(xiàn)有應(yīng)用并不能保證兩路信號(hào)幅值完全相等，也就很難得到完美的正交弦波信號(hào)，本發(fā)明通過(guò)對(duì)原信號(hào)取微分后的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為幅值采集觸發(fā)信息，可實(shí)時(shí)獲取并修正信號(hào)幅值，從而確保了該正交化原理實(shí)用過(guò)程中的可行性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明修正模塊的整體示意圖；

圖2為本發(fā)明去直流漂移單元示意圖；

圖3a為本發(fā)明幅值變化不同步的兩信號(hào)幅值歸一化原理圖；

圖3b為本發(fā)明幅值變化同步的兩信號(hào)幅值調(diào)節(jié)原理圖；

圖4為本發(fā)明信號(hào)正交化單元原理圖；

圖5為實(shí)際待修正信號(hào)(實(shí)線(xiàn))與理想信號(hào)(虛線(xiàn))李薩如圖；

圖6為本發(fā)明正交化原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，如圖1所示，正余弦測(cè)量信號(hào)修正模塊包括：正弦差放單元、正弦去直流漂移單元、正弦幅值調(diào)節(jié)單元、余弦差放單元、余弦去直流漂移單元、余弦幅值調(diào)節(jié)單元和正交化單元。

正弦差放單元接收相位差為180°的兩路正弦信號(hào)sin+和sin-并進(jìn)行處理，得到一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0并提供給正弦去直流漂移單元進(jìn)行處理，得到零直流漂移正弦信號(hào)sin1，由正弦幅值調(diào)節(jié)單元對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到校正后的正弦信號(hào)sin2，并提供給正交化單元；

余弦差放單元接收相位差為180°的兩路余弦信號(hào)cos+和cos-并進(jìn)行處理，得到一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0并提供給余弦去直流漂移單元進(jìn)行處理，得到零直流漂移余弦信號(hào)cos1；由余弦幅值調(diào)節(jié)單元對(duì)零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到校正后的余弦信號(hào)cos2，并提供給正交化單元；

正交化單元對(duì)校正后的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2進(jìn)行正交化處理，得到嚴(yán)格正交、幅值相等、直流漂移為零的正弦信號(hào)sin和余弦信號(hào)cos。

現(xiàn)有硬件電路修正方案中，多數(shù)采用直流補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈコ盘?hào)中的直流漂移，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取并補(bǔ)償實(shí)際信號(hào)中不斷變化的直流漂移，而本發(fā)明中所提出的去直流漂移方法可克服該缺陷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)去直流漂移。如圖2所示，正弦去直流漂移單元或余弦去直流漂移單元包括：低通濾波器和加法電路，低通濾波器實(shí)時(shí)獲取所接收到的一路正弦差動(dòng)放大信號(hào)sin0或一路余弦差動(dòng)放大信號(hào)cos0中的直流漂移信號(hào)，得到與信號(hào)中直流漂移極性相反的信號(hào)，并提供給加法電路用于去除直流漂移，從而得到零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1。其中，低通濾波器的截止頻率可根據(jù)測(cè)量信號(hào)的頻率范圍并綜合考慮響應(yīng)時(shí)間等因素靈活設(shè)計(jì)。

實(shí)際正余弦測(cè)量信號(hào)的幅值是不斷變化的，所以要求幅值調(diào)節(jié)單元電路能實(shí)時(shí)獲取信號(hào)幅值信息并修正，聯(lián)想到原信號(hào)取微分后信號(hào)過(guò)零點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)原信號(hào)幅值點(diǎn)這一特征，將微分信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為幅值采集觸發(fā)信號(hào)，微分信號(hào)過(guò)零瞬間觸發(fā)采集信號(hào)幅值，其他時(shí)間保持該采集結(jié)果作為幅值修正信號(hào)，并利用除法電路實(shí)現(xiàn)幅值修正，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的實(shí)時(shí)修正。本發(fā)明提供上述思想的一種實(shí)現(xiàn)方法，待修正信號(hào)取微分并取絕對(duì)值后，使用窗口比較器產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，以觸發(fā)采樣保持電路采集當(dāng)前信號(hào)即信號(hào)幅值，窄脈沖過(guò)后，保持該采樣結(jié)果，并由除法電路將待修正信號(hào)與該幅值信息進(jìn)行除法運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)幅值歸一化，該方法可實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的實(shí)時(shí)修正。

如圖3a所示，正弦幅值調(diào)節(jié)單元或余弦幅值調(diào)節(jié)單元包括：第一絕對(duì)值電路、采樣保持電路、微分電路、第二絕對(duì)值電路、窗口比較器和除法電路；

第一絕對(duì)值電路對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行取絕對(duì)值處理，得到的結(jié)果提供給采樣保持電路；

微分電路對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行微分處理，得到微分信號(hào)并提供給第二絕對(duì)值電路；第二絕對(duì)值電路對(duì)微分信號(hào)進(jìn)行取絕對(duì)值處理，得到的結(jié)果提供給窗口比較器進(jìn)行處理，得到觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給采樣保持電路；

采樣保持電路根據(jù)所接收到的觸發(fā)信號(hào)，對(duì)第一絕對(duì)值電路的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)幅值采集，從而獲得連續(xù)變化的幅值信息并提供給除法電路；

除法電路對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1與幅值信息進(jìn)行除法計(jì)算，從而得到校正后幅值相等的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2。

此外，當(dāng)零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1的幅值變化同步時(shí)，正弦幅值調(diào)節(jié)單元和余弦幅值調(diào)節(jié)單元還可以利用電阻分壓法(參閱圖3b)對(duì)零直流漂移正弦信號(hào)sin1或零直流漂移余弦信號(hào)cos1進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，得到幅值相等的正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2。

如圖6所示，幅值相等時(shí)，兩路正余弦測(cè)量信號(hào)的矢量圖為菱形的相鄰兩邊，兩信號(hào)的和與差即為該菱形的兩個(gè)對(duì)角線(xiàn)，而菱形對(duì)角線(xiàn)必正交，故可在調(diào)節(jié)兩路信號(hào)幅值相等的基礎(chǔ)上對(duì)其分別相加減，以修正信號(hào)的非正交化誤差。在前述正弦幅值調(diào)節(jié)單元和余弦幅值調(diào)節(jié)單元實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)兩路信號(hào)幅值相等的基礎(chǔ)上，正弦信號(hào)sin2和余弦信號(hào)cos2分別相加、相減后可得到兩路嚴(yán)格正交的新信號(hào)sin和cos(參閱圖4)。

經(jīng)過(guò)以上處理得到的兩路新信號(hào)sin和cos，嚴(yán)格正交、幅值相等、直流漂移為零，其李薩如圖為一個(gè)圓心在原點(diǎn)的正圓，可直接用于后續(xù)的細(xì)分、計(jì)數(shù)與辨向。