專利名稱：基于tdc計時器的高精度位置信號檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置檢測技術(shù)，尤其是一種利用機械運動連續(xù)性特征，采用高精度時間測量方法，實現(xiàn)運動過程中的位置信號精度檢測的方法及裝置，具體地說是一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法和裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，高精度位置信號檢測是數(shù)控裝備、精密測量儀器系統(tǒng)的重要組成部分。尤其對于閉環(huán)控制系統(tǒng)中，位置信號檢測的精度決定了加工精度。要提高檢測精度，就要選用更高分辨率的檢測裝置，而高分辨率的檢測裝置價格高昂，在普通數(shù)控裝備上使用時極不經(jīng)濟，并且精密的檢測裝置對于使用環(huán)境的要求十分茍刻。因此，如果能夠突破檢測裝置本身的局限性，研究出一種成本相對較低、位置精度相對較高的檢測裝置，將具有十分重要的意義。針對這個問題，國內(nèi)外學者和科技工作人員展開了許多研究，提出了機電結(jié)合法，這一方法的基本思想是通過升速傳動裝置將旋轉(zhuǎn)或擺動進給軸與傳感裝置旋轉(zhuǎn)軸連接起來，利用傳動裝置的升速比，增大角度檢測裝置的旋轉(zhuǎn)角度，從而提高檢測分辨率。如果傳動裝置的升速比為M，則傳感器的分辨率可提高M倍。鄧方、陳杰與陳文頡等為解決高精度光電編碼器檢測中存在的問題，用此方法以蝸輪蝸桿對步進電機的輸出角位移進行細分，提高了電機的控制精度。然而，由于該方案中存在機械傳動鏈，盡管傳動鏈主要傳遞運動，傳動力矩很小，但還是存在傳動間隙和機械變形，因此，該方案會導致脈沖輸出不均勻、誤差較大等情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前高分辨率的檢測裝置價格高昂、使用環(huán)境的要求十分茍亥IJ，難以滿足生產(chǎn)需要的問題，提供一種分辨力與測量精度度，成本低的基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法，其特征是它包括以下步驟
首先，利用信號調(diào)理電路對檢測裝置輸出的兩路正交信號進行信號調(diào)理，再通過斬波器，實現(xiàn)調(diào)制；
其次，將經(jīng)過調(diào)制后的信號及經(jīng)移向器移向后的基準脈沖一起送入斬波器中進行斬波處理；
第三，將經(jīng)過斬波器斬波處理的信號送入加法器中進行加法處理，再經(jīng)過帶通濾波器濾除低頻調(diào)制頻率和三次諧波以上的頻率，使得原本對空間位移的測量轉(zhuǎn)化為對時間信號相位角的測量，進行過零比較，可以得到同頻同相的方波信號；
最后，將方波信號和移向器輸出的載波脈沖信號同時送入可以達到ps (皮秒)級的TDC(時間數(shù)字轉(zhuǎn)換)計時器，進行計數(shù)，經(jīng)過數(shù)學計算會得到n、N兩個值，對這兩個值進行計算，即得到相應的角度值，根據(jù)角度值最終算出檢測裝置最終的位置坐標。其中，η表示為載波脈沖與公式(10)中待測信號的相位差值所記脈沖數(shù)，N表示為公式(10)中待測信號半個周期的所記脈沖數(shù)。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是 一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測裝置，其特征是它主要由信號調(diào)理電路I、第一斬波器2、第二斬波器3、加法器4、帶通濾波器5、過零比較器6、TDC計時器7、基準脈沖電路8和移向器9，信號調(diào)理電路I的輸入端與檢測裝置的兩路輸出端相連，信號調(diào)理電路I的兩路輸出端分別與對應的第一斬波器2和第二斬波器3的一路輸入端相連,第一斬波器2和第二斬波器3的另一路輸入端分別與移向器9對應的輸出端相連,移向器9的輸入端接基準脈沖電路8的輸出端，第一斬波器2和第二斬波器3的輸出端分別接加法器4對應的兩個輸入端，加法器4的輸出接帶通濾波器5的輸入端，帶通濾波器5的輸出端接過零比較器6的輸入端，過零比較器6的輸出端及移向器9的載波脈沖信號同時接TDC計時器7的輸入端，TDC計時器7的輸出端接由FPGA實現(xiàn)高精度位置測算模塊10的輸入端，高精度位置測算模塊10經(jīng)計算后輸出位置信號給控制系統(tǒng)。所述的基準脈沖電路8為輸出固定頻率的基準脈沖電路。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明利用普通精度的檢測裝置即可實現(xiàn)位置檢測信號的精確測量，有效地提高檢測裝置的分辨力及測量精度，降低實際成本。


圖I是本發(fā)明的檢測裝置的原理框圖。圖2是本發(fā)明的TDC核心測量單元的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例一。如圖1、2所示。一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法，它包括以下步驟
首先，利用信號調(diào)理電路對檢測裝置輸出的兩路正交信號進行信號調(diào)理，再通過斬波器，實現(xiàn)調(diào)制；
檢測裝置輸出的兩路正交信號為
Ur(x) =U0-U' rsin Θ (X) (I)
f/-(x) 二 Un(2 )
θ{χ) = —(3)
is
式中是機械位移角；％是輸出信號上疊加的直流電平山是截距，X是角度傳感器動靜間的相對位移量；為輸出信號的幅值；其次，將所得的信號濾波、減法、放大等相關(guān)的信號處理，得到兩路新的電信號
/ -i/, an6 (x)⑷
F1 = Ur cnsd(x)(5)
第三，相位調(diào)制。引入一組頻率為ω、相位差為90°的方波載波信號，并把它們展開成傅里葉級數(shù)形式
— — I —aniBtf l·---sm3￡tf I----an5￡i3tf-i--—(6)
M ^ 4 ππ 3π 5
.iF- {^ — — " —(DOS HXt +---I---CSlSHh~(7 )
r% f 4 MM 3JT 5
斬波調(diào)制和兩相求和后的輸出信號為
_:f鐘W*⑶
-Ur+ ΘJ + ~+ Θ| + &sin[5firf + 沒(jc)]+-·)
經(jīng)帶通濾波器濾波，濾除低頻調(diào)制頻率和三次諧波以上頻率，
&=HK
得:
F(i) =f/rsin[ OfHh5(x)](9)
可以看出，經(jīng)過上述處理已將空間位移信號“寄載”到式(9)的時間信號上。由于
與空間位移量成正比，使得原本對空間位移的測量轉(zhuǎn)化為對時間信號相位角的測量第四，過零比較。將式(9)的信號進行過零比較，可以得到同頻同相的方波信號
I>0
Φζ/CBSt + ff) =M(10)
O sin +6* < O
第五，將式(10)所表達的信號和載波脈沖信號同時送入TDC計時器，按照下述方法進行計數(shù)，會得到η、N兩個值，其中，η表示為載波脈沖與(10)中待測信號的相位差值所記脈沖數(shù)，N表示為式(10)中待測信號半個周期的所記脈沖數(shù)。TDC核心測量單元對START和STOP脈沖之間的時間間隔進行測量。每個門電路的傳輸延時典型值是65ps，TDC核心測量單元通過計數(shù)在STOP脈沖到來之前START信號通過的門電路個數(shù)來獲得START與STOP信號之間的時間間隔。待測時間T最終以標準脈沖數(shù)給出。對這兩個值按照式(11)進行計算，可以得到一個周期內(nèi)的角度值。0=~χπ(11)根據(jù)角度值就可以算出最終的位置。實施例二。如圖1-2所示。一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測裝置，它主要由信號調(diào)理電路I、第一斬波器2、第二斬波器3、加法器4、帶通濾波器5、過零比較器6、TDC計時器7 (型號可為TDC-GP2)、基準脈沖電路8和移向器9，如圖1，信號調(diào)理電路I的輸入端與檢測裝置的兩路輸出端相連，信號調(diào)理電路I的兩路輸出端分別與對應的第一斬波器2和第二斬波器3的一路輸入端相連，第一斬波器2和 第二斬波器3的另一路輸入端分別與移向器9對應的輸出端相連，移向器9的輸入端接基準脈沖電路8 (輸出固定頻率)的輸出端，第一斬波器2和第二斬波器3的輸出端分別接加法器4對應的兩個輸入端，加法器4的輸出接帶通濾波器5的輸入端，帶通濾波器5的輸出端接過零比較器6的輸入端，過零比較器6的輸出端及移向器9的載波脈沖信號同時接TDC計時器7的輸入端，TDC計時器7的輸出端接高精度位置測算模塊10 (可采用計算機或具有計算功能的單片機模塊實現(xiàn)，也可采用軟件加以實現(xiàn))的輸入端，高精度位置測算模塊10經(jīng)計算后輸出位置信號給控制系統(tǒng)，TDC計時器7的原理如圖2所示。本實施例中的信號調(diào)理電路I、第一斬波器2、第二斬波器3、加法器4、帶通濾波器5、過零比較器6、TDC計時器7、基準脈沖電路8和移向器9均為常規(guī)電路，可采用現(xiàn)有技術(shù)或教科書中的相關(guān)電路加以實現(xiàn)。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法，其特征是它包括以下步驟 首先，利用信號調(diào)理電路對檢測裝置輸出的兩路正交信號進行信號調(diào)理，再通過斬波器，實現(xiàn)調(diào)制； 其次，將經(jīng)過調(diào)制后的信號及經(jīng)移向器移向后的基準脈沖一起送入斬波器中進行斬波處理； 第三，將經(jīng)過斬波器斬波處理的信號送入加法器中進行加法處理，再經(jīng)過帶通濾波器濾除低頻調(diào)制頻率和三次諧波以上的頻率，使得原本對空間位移的測量轉(zhuǎn)化為對時間信號相位角的測量，進行過零比較，可以得到同頻同相的方波信號； 最后，將方波信號和移向器輸出的載波脈沖信號同時送入可以達到皮秒(PS)級的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)計時器，進行計數(shù)并進行數(shù)學計算得到相應的角度值，根據(jù)角度值最終算出檢測裝置最終的位置坐標。
2.一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測裝置，其特征是它主要由信號調(diào)理電路(I)、第一斬波器(2)、第二斬波器(3)、加法器(4)、帶通濾波器(5)、過零比較器(6)、TDC計時器(7)、基準脈沖電路(8)和移向器(9)，信號調(diào)理電路(I)的輸入端與檢測裝置的兩路輸出端相連，信號調(diào)理電路(I)的兩路輸出端分別與對應的第一斬波器(2)和第二斬波器(3)的一路輸入端相連，第一斬波器(2)和第二斬波器(3)的另一路輸入端分別與移向器(9)對應的輸出端相連，移向器(9)的輸入端接基準脈沖電路(8)的輸出端,第一斬波器(2)和第二斬波器(3)的輸出端分別接加法器(4)對應的兩個輸入端，加法器(4)的輸出接帶通濾波器(5)的輸入端，帶通濾波器(5)的輸出端接過零比較器(6)的輸入端，過零比較器(6)的輸出端及移向器(9)的載波脈沖信號同時接TDC計時器(7)的輸入端，TDC計時器(7)的輸出端接由FPGA實現(xiàn)的高精度位置測算模塊(10)的輸入端，高精度位置測算模塊(10)經(jīng)計算后輸出位置信號給控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述的基準脈沖電路(8)為輸出固定頻率的基準脈沖電路。
全文摘要
一種基于TDC計時器的高精度位置信號檢測方法和裝置，其特征是將檢測裝置輸出的兩路正交信號進行信號調(diào)理，再通過斬波器，實現(xiàn)調(diào)制，通過加法器后，再經(jīng)過帶通濾波器，濾除低頻調(diào)制頻率和三次諧波以上頻率，使得原本對空間位移的測量轉(zhuǎn)化為對時間信號相位角的測量，進行過零比較，可以得到同頻同相的方波信號，將式信號和載波脈沖信號同時送入可以達到ps級TDC計時器(TDC-GP2)，進行計數(shù)和計算，可以得到相應的角度值，根據(jù)角度值就可以算出最終的位置。本發(fā)明實現(xiàn)位置檢測信號的精確測量，有效地提高檢測裝置的分辨力及測量精度，降低實際成本。
文檔編號G01D5/244GK102620755SQ20111031097
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者廖文和, 楊文安, 郭宇 申請人:南京航空航天大學