锁相环在细分技术中的应用

　　一、前　言

　　在几何量测量技术中,常用信号细分技术提高分辨力。现在已有多种实用的细分方法,但有些方法细分倍数较低,能达到的测量速度也不太高。如果传感器的定栅节距很小、载波频率较高,那么在测量速度要求不高的情况下,这类细分方法能够满足一般的分辨力要求和其他技术指标。然而,笔者在近年参加的“容栅尺原理”部级课题中,采用容栅尺作为位移传感器,由于工艺上和结构上的原因,容栅尺定栅节距不能做得很小(约几毫米)。同时,考虑到杂散电容会引起信号泄漏问题,故载波频率也不能太高。在这种情况下要达到一定分辨力和较高测量速度,就需采用合适的细分方法。针对课题的要求,我们将锁相环技术具体应用到此类信号细分电路,获得高细分倍数、高测量速度的双高效果。这种采用锁相环构成倍频细分电路的方法,可实现几千乃至上万的细分倍数和较高的测量速度。而且,这种方法电路简单、成本较低,调试也比较方便,是一种比较好的细分方法。下面,笔者就应用中的几个具体问题作一简述,重点介绍实现动态测量时环路的设计方法。

　　二、工作原理

　　图1是“容栅尺”测量系统中信号处理部分的原理框图。

　　SY是脉冲同步电路;SFD是数字式差频电路,DIS是计数及显示电路;CJ是判零及加减控制电路。这里F=Fu+Fv是容栅传感器的输出信号频率,Fn是载波频率;Fv是调制频率;Fc是同步时钟频率。Fv与滑尺的移动速度关系为

　　式中W是定栅节距。

　　我们知道:测量位移x与动尺移动速度V有dx/dt=V的关系,故

　　在信号的数字处理时,Fv以脉冲形式出现,因此在时间段T内对Fv的积分转化为对脉冲的求和,即

　　式中,Mi是T时间内的脉冲数。如果信号Fv经锁相环的N倍倍频,则从式(2)中可得

　　式中,D=W/N是脉冲当量。

　　同理,脉冲求和形式为

　　显然,由于细分,一个脉冲所表示的间距为D,当N取值很大时,其值可远小于W,从而提高了分辨力。

　　本系统采用数字式信号处理电路。激励信号Fu和来自容栅尺的信号F都是可测的。它们通过N倍频及脉冲同步电路,送入SFD差频电路,得到+NFv或-NFv的输出信号。对这两个信号进行计数,便可获得测量结果。

　　三、锁相倍频电路的选用及设计

　　电路中锁相环的选用,主要考虑以下三个因素:

　　1.测量系统的分辨力,它决定倍频系数N。

　　2.滑尺移动的最大速度,也就是动态测量时允许的最大速度。它决定选用的锁相环中压控振荡器VCO的最高振荡频率。