將光源,、兩塊長光柵(指示光柵和標尺光柵)、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺,。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器,，可將光信號轉換為電信號,，這樣就可以實現(xiàn)位移信號到電信號的轉換。
本文針對輸出正弦波的傳感器進行了討論,，對于輸出為正弦信號的光柵尺,，需要對輸出信號進行整形。光柵尺的輸出信號經(jīng)過整形后如圖1所示,。
將光柵尺輸出的信號進行細分,，然后辨向，再送入可逆計數(shù)器,。由于2路信號周期同為T,，相位相差90 °，光柵尺中的指示光柵每移動一個柵距,，輸出電信號就變化一個周期,，如果能夠把變化的周期數(shù)測量出來，就可以測出相對位移,。
2 CPLD的選擇
本設計中選擇的CPLD(復雜可編程邏輯器件)是Altera公司的EPM 7128SLC84-15,，它采用CMOS工藝，是一種基于EPROM的器件。該芯片有84個引腳,，其中5個用于ISP(In System Programmable)下載,，可以方便地對其進行在系統(tǒng)編程。此器件內集成了6 000門,，其中典型可用門為2 500個,，有128個邏輯單元，60個可用I/O口,，可以單獨配置為輸入,、輸出及雙向工作方式，2個全局時鐘及1個全局使能端和1個全局清除端,。EPM 7128SLC284-15支持多電壓工作,，其中15代表芯片的速度，該芯片傳輸延時為7.5 ns,，最高工作頻率為125 MHz,，并支持多種編程方式。利用Altera公司的QuartusⅡ5.1軟件可以方便地進行仿真,、綜合和下載,。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)中使用的光柵傳感器輸出的是4路相位差為90°的正弦信號，因此需要對傳感器的輸出信號進行整形處理,。本設計中采用了由運放LM393構成的差分放大器,，將光柵傳感器輸出的4路信號分別送入2個差分放大器的輸入端，從差分放大器輸出的2路信號其相位差為90°,，整個系統(tǒng)框圖如圖2所示,。
將差分后的信號進行整形得到2路方波信號，得到的方波信號不能直接送入計數(shù)器中,，在本設計中由EPM 7128SIC84-15完成4細分,、辨向、計數(shù)的功能,，在QuartusⅡ5.1中采用原理圖的輸入方式將上述模塊組合成一個軟件系統(tǒng),。
3.1 數(shù)字濾波電路
通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，光柵傳感器輸出的信號雖然經(jīng)過了前級電路的預處理,，但光柵發(fā)生抖動或測頭被沖擊時,，仍然會產(chǎn)生噪聲信號，從而影響計數(shù)的準確性,，降低整個測試系統(tǒng)的精度,。為了消除噪聲信號，在CPLD內部設計了一數(shù)字濾波電路模塊米濾除抖動脈沖,，防止計數(shù)器誤計數(shù),。圖3是數(shù)字濾波電路圖,。
該電路的基本原理是用觸發(fā)器將輸入的方波信號通過時鐘clk的延遲來克服毛刺和噪聲信號，延遲的時鐘周期數(shù)與毛刺和噪聲信號的脈沖寬度有關,，需要通過多次實驗合理選取,。
圖4是數(shù)字濾波電路的仿真波形圖，從圖中可以看出,，當輸入信號ina或inb出現(xiàn)毛刺時,，經(jīng)過數(shù)字濾波后，輸出波形a和b中已看不到毛刺,。在仿真過程中需要注意的足輸入信號ina和inb與clk之間的頻率設置,，如果設置不合適，仿真將會失敗,。3.2 細分辨向電路
光柵尺信號的細分與辨向足提高光柵尺測量精度的關鍵性一步，沒計者需要綜合考慮辨向與細分的復雜性,。在辨向時,，是對細分后的信號進行辨向，而不是在細分前進行辨向,，否則不能提高測量精度,。本測量系統(tǒng)中是先細分、后辨向,。電路仿真波形如圖5所示,。
在波形圖中：a、b信號足輸入波形,，clk是系統(tǒng)時鐘;clr是系統(tǒng)復位信號;direction是方向信號,，通過該信號能夠判斷出光柵尺中指示光柵的移動方向，如果是高電平,，則表示指示光柵作正向運動,，反之則作反向運動;clkadd表示指示光柵正向運動時的細分信號;clksubb表示指示光柵反向運動時的細分信號;clkout信號是clkadd和clksubb相"與非"后的結果，該信號作為可逆計數(shù)器的時鐘信號;當direction為高電平時,，叮逆計數(shù)器作加運算,，當direction為低電平時，可逆計數(shù)器作減運算,。
3.3 計數(shù)電路
本系統(tǒng)中的計數(shù)器采用VHDL進行設計,，輸入信號定義為時鐘信號和方向信號，輸出信號定義為24位的計數(shù)結果,。用VHDL實現(xiàn)的24位可逆計數(shù)器功能的原程序如下：
仿真波形如圖6所示,。
在波形圖中：clk信號是上一級電路的clkout信號，作為可逆計數(shù)器的時鐘;up_down是辨向信號,，計數(shù)器的加運算和減運算由該信號控制,，當up_down為高電平時計數(shù)器作加法,，否則作減法。
3.4 譯碼驅動和顯示電路
本系統(tǒng)中要正確顯示測量結果,，需要譯碼驅動和顯示電路模塊,，澤碼電路用于轉換24位的計數(shù)結果;顯示電路需要8個LED顯示數(shù)據(jù)，其中1個LED為符號位,。當正向運動時,，符號位不顯示符號，當反向運動時顯示"-"號,。
4 結束語
基于EPM 7128SLC84-15構成的位移測量系統(tǒng)具有分辨率高,、誤差小、電路結構簡單,、成本低等優(yōu)點,，完全能夠滿足實際測量的需要。由于采用的是CPLD設計,，系統(tǒng)易于升級,。