一种光栅信号细分算法的FPGA实现.pdf

光栅位移传感器在现代精密测量技术中占据着举足轻重的地位，它通过莫尔条纹来表现直线或角度位移的变化，从而达到测量位移量的目的。由于其在高精度测量中的重要性，光栅信号的电子学细分处理技术备受关注。然而，在实现高倍数细分的同时，保证细分数据的有效计算准确度以及处理速度，这三个关键因素通常很难兼顾。 传统的处理方法存在局限性，往往只能在细分倍数和计算准确度之间进行权衡，而难以做到三者的综合考虑。定点数运算由于其精度限制，通常会导致处理过程中准确度的损失。而FPGA（现场可编程门阵列）作为一种硬件平台，通过其并行处理特性，可以在很大程度上解决这一问题。 CORDIC算法（Coordinate Rotation Digital Computer）是解决该问题的关键技术之一。它是一种迭代算法，可以用来高效地计算多种三角函数、双曲函数和线性方程。在本研究中，CORDIC算法被用来解算光栅信号的相位，以实现高准确度的信号细分。 本研究提出了一种基于FPGA的光栅信号细分算法，该算法采用CORDIC算法进行相位解算，并结合单精度浮点运算，将辨向、粗码计数、相位解算、粗码精码浮点运算集成于单片FPGA中，从而实现了高准确度的信号处理。设计中使用的FPGA芯片型号为Altera公司的Cyclone II系列的EP2C20F484C8型，它具有足够的逻辑资源和性能，能够满足本研究的需求。 该细分电路的组成包括移相电路、AD转换电路、坐标平移模块、CORDIC相位解算模块、浮点转换模块、粗码计数及辨向模块、浮点运算模块等。细分电路首先接收光栅尺产生的两路正交的正弦信号，通过移相电路生成四路相位相差π/4的信号。其中两路信号通过16位AD转换器转换成数字信号后，再进行坐标平移、翻转和CORDIC相位解算，最终通过浮点转换得到32位浮点精码。 同时，四路信号还通过比较器转换成四路方波信号，并被送入FPGA内进行区间判定和辩向计数，随后进行浮点转换，得到32位的浮点粗码。粗码与精码通过一系列的浮点运算（如加、减、乘）得到32位的浮点位移结果。这一结果经过多字节BCD编码后，转换为可显示的格式输出。 通过本研究实现的光栅信号细分处理技术，不仅可以实现高准确度的信号处理，还能保证较高的数据处理速度，从而满足雷达、光电经纬仪、机器人、数控机床等应用领域对位移测量的高精度和快速响应的需求。 本研究的意义在于，它不仅提供了光栅位移传感器信号细分处理的新方法，还展示了FPGA在高精度信号处理领域的应用潜力。通过这种技术的实施，可以在不牺牲准确度的情况下，大幅提升信号处理速度，对于发展精密仪器、提升工业自动化水平具有重要的推动作用。