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1、4. 光电系统设计4.1 光电系统设计任务与要求4.1.1设计任务整个测控仪器设计中，电路系统担负着信息流的传递和控制的重要任务，是感知信息、处理信息、输出指令、操纵机构和元件的工具和载体。根据我们的总体设计，本此设计仪器的光电系统主要由测量电路（信息输入通道）、中央处理系统（信息处理单元）、控制电路（信息输出通道）、通信模块电路四大部分组成。测量电路部分：测量电路是信息流的输入通道，主要由信息处理电路和电源组成，其作用是将电感传感器和光栅位移传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等。只有经过测控电路系统的放大、滤波、细分、选通和阻抗匹配等处理，才能将传感器输出的有用信
2、号、无用信号以及代表不同信息的各种信号分开，将微弱信号放大，鉴别被测信号的微弱变化，将模拟信号转换成数字信号，以便单片机系统处理。单片机系统：中央处理是信息处理单元，它同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息输入通道和输出通道，是整个电路系统的核心，同时也是整个测控仪器的核心。单片机系统的作用是对测量电路送来的传感器信号进行运算、处理、显示、存储等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。控制电路：控制一般是信息流的输出通道，它主要由控制电路、驱动电路、电源等组成，其作用是根据单片机系统发出的命令，对测杆的移动实现控制。控制电路通过接受来
3、自单片机的控制命令对信号进行放大、转换、隔离、驱动等一系列操作，实现对被测杆在Y方向上的控制。通信模块电路：通信模块的主要功能是连接单片机电路模块和PC之间的通信，通过通信模块PC能采集、处理、显示来自单片机的信号和数据流。4.1.2设计要求 对传感器输出的信号进行放大、整形、滤波、细分的具体测量电路 对测量电路输出的信号进行处理和输出控制信号控制电机转动的单片机系统通过单片机输出信号对电机运作进行控制的驱动电路实现单片机电路系统和PC之间的通信和数据交换4.2 光电系统方案的拟定测控系统电路原理框图如图5.1所示。由电感传感器将测量头传递过来的齿形误差信息（X方向位移量）转换成模拟信号，并经
4、过模数转换成数字信号，通过USB端口送入计算机；由光栅位移传感器获取直线导轨的位移量（Y方向位移量），其作用有两方面：一方面通过采用信号发生器产生采样信号，采集齿形误差信息；另一方面通过莫尔条纹的计数单元获取导轨的准确位置，再通过计算获得齿形误差。齿形误差测量的过程中有四路信号的转换与传输：第一路信号是电感侧头所感受到的X方向位移，其经过十字片簧和杠杆机构放大后由电感传感器转换成电信号输出，通过放大电路把传感器输出的微弱信号放大，经过限幅电路后进行AD转换，然后传递到单片机处理后通过USB通信模块传输给电脑。第二路信号是光栅位移传感器，把导轨运动方向和位移信号转换成相应的电信号，经过放大滤波电
5、路后由四细分辨向电路处理分两路信号传输给单片机计数处理等。第三路是由单片机发出相应的脉冲控制信号，由步进电机驱动模块转换后控制步进电机相应的转动角度实现导轨移动，从而使测头随齿形方向移动。第四路是连接电路模块与PC的连接接口转换电路，通过这个电路，单片机和PC之间可以相互通信。STM32AD7799限幅电路自举放大电路电感侧头接口四细分辨向电路低通滤波放大电路光栅尺接口加计数串口通信模块减计数 步进电机STK672图5.1 测控电路系统原理框图4.3 齿形误差获取传感器的信号处理子系统设计4.3.1电感传感器的原理及选择电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线
6、圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。
7、电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。在实际应用中，这种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。在非电量的测量中，应用最多的是差动螺线管式电感传感器，其原理图如下所示：图5.2 电感传感器原理图如图所示，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。其测量范围和分辨率成反比，测量范围越大，分辨率越低。在电感测头使用中，测球与被测面相接触，并使二者有一定的接触力，以保证与被测工件有效接触，当测头相对于被测物发生位移变化时，测头内的磁芯将改变它在线圈中的位置，磁铁
8、中气隙磁阻发生了变化，从而使线圈电感产生变化。再通过电桥转换电路，将电感量转变为电压量，使得测球位移量与传感器输出电压成正比。电感传感器一般以交流电桥作为信号调制电路，信号调制与解调用同一振荡器输出的信号作载波信号和参考信号。利用信号分离电路将信号与噪声分离，将不同成分的信号分离，取出调制信号。最后用倍率转换电路将信号放大，以使单片机有满量程输入。电感测量头功能是将测量头测量沿齿形线方向运动的偏移量通过测杆传递到片簧，计算出弹力的大小，再将弹力折算到测头的受力，电感传感器通过检测他们的受力，将测头的位移偏移量转化为电量输出。它可测量1100mm的机械位移，具有结构简单可靠、输出阻抗小、对工作环
9、境要求不高、分辨力较高，稳定性好等优点。我们小组选用的是中原量仪股份有限公司的轴向式DGC-8ZP/B型电感测头，其性能指标为如表5.1所示：表5.1电感测头性能指标参数说明示值变动性测量力总行程测头直径外形尺寸0.2m0.450.65N3mm8f7885图5.3 电感测头4.3.2电感传感器的信号处理单元在传输过程中需要根据传感器输出信号的特性、工作方式以及数据采集设备的输入要求，对传感器输出的信号进行各种形式的处理，如阻抗变换、电平转换、隔离屏蔽放大、滤波、调制、解调等。不同的待测对象的处理方式不一定相同，但信号处理部分的目的基本上都相同，一方面是为了满足终端设备的要求，另一方面是要求从系
10、统的角度出发，弥补传感器的不足，提高检测系统的性能，使之更好地满足使用要求。信号处理对检测单元所获取的微弱信号通过放大、剔除噪声等处理，选取有用信号，由单片机按测量和控制功能的要求，进行所需的演算、处理和转换，便于后续电路的需要。特别是在要求高性能的情况下，信号处理电路的性能是十分重要的。基于大齿轮渐开线齿形误差测量系统，根据电感测头的特性及数据采集卡的要求，我们设计的信号调理模块包括电压放大、限幅电路和AD转换。如图5.4所示：图5.4 电感传感器信号处理框图4.3.1.1自举放大电路信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构。测量
11、放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。对放大电路的基本要求是：测量放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；稳定的放大倍数；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流，以及低的漂移；成本低，线性好，精度高。为减少信号丢失，我们需要较高的输入阻抗与电路匹配，若采用在电压输入端接电压跟随器，这会引入跟随器的共模误差，在要求较高的情况下我们采用自举式高输入阻抗放大电路，所选电感传感器的输出信号为-50mV+50mV，为便于处理，我们将信号放大100倍，若采用一级放大，由于存在干扰和漂移达不到要求，因此采用二级反向放大电路，每级放大10倍。本小组设计的基于运算放大芯片OPA2277的自举放大电路如图
12、5.5所示，图5.5自举放大电路电路图自举放大电路就是利用反馈使电阻R15的下端电位提升到与输入端等电位，从而减小输入回路的索取电流，则整个电路的输入阻抗就被提高。取R11=R12=10k，R8=R10=100k。第一级放大电路的输出电压：=- (5-1)第一级放大倍数：=-=-10 (5-2)第二级放大电路的输出电压：=- (5-3)第二级放大倍数：=-=-10 (5-4)总放大倍数：A=*=100 (5-5)输入端电流： (5-6)输入端阻抗： (5-7)故当R1=R7时，输入阻抗有最大值。4.3.1.2限幅电路能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，称限幅器或削波器。限幅电路常用于：整形，
13、如削去输出波形顶部或底部的干扰；波形变换，如将输出信号中的正脉冲削去，只留下其中的负脉冲；过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。因为当电路受到干扰时，输出电路电平可能超出预定范围，为了便于放大后的信号进行AD转换，需要将其限制在-5V5V范围。限幅电路如图5.6所示：图5.6限幅电路图4.3.1.3所用芯片OPA2277介绍OPA2277是TI旗下公司推出的双通道运放，一种高精度、低噪声的集成运算放大器芯片，其他特性还包括极低的输入失调电压、低输入偏置电流、高共模信号抑制比。这个系列的运放失调电压已经降到了理想的水平，通常不需要调零。其引脚功能图如下所
14、示：图5.7 OPA引脚图OPA2277集成运放的主要参数如表5.2所示：表5.2 OPA2277集成运放参数表参数大小数值单位输入失调电压电源抑制比温漂共模信号抑制比输入偏置电流开环增益开环输入电阻增益带宽101300.11400.51341001uVdBuV /dBnAdBMMHz4.3.1.4 AD转换电路经过前面的放大电路和限幅电路出来的信号为-5V+5V间的电平信号，后面需要AD转换芯片，把模拟量转换成数字量，我们选用的AD7799是早些前ADI公司推出的一款高精度低速24位ADC器件，主要应用于低功耗精密测量场合。零度校准时，芯片内部将差分通道的两个输入端内部短接，这时得到一个转换值存放于内部对应通道的零度偏差寄存器中，满度校准时，芯片内部将两个输入端接到参考电压上，这时得到的转换值存放于内部相应通道的满度寄存器中。AD7799为适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声16位/24位-型ADC，其中含有3个差分模拟输入，还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64、更新速率为4.17 Hz时，AD7799的均方根（RMS）噪声为27nV。AD7799基本参数为分辨率(Bit
