TDC-GP21電場式圓時柵傳感器信號處理系統(tǒng)設(shè)計*

但 敏， 鄭方燕， 王合文， 張瀚瀟， 吳玉梅， 樊星辰

(重慶理工大學(xué) 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400054)

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TDC-GP21電場式圓時柵傳感器信號處理系統(tǒng)設(shè)計*

但 敏， 鄭方燕， 王合文， 張瀚瀟， 吳玉梅， 樊星辰

(重慶理工大學(xué) 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400054)

針對時柵傳感器信號處理系統(tǒng)需要高精度時間間隔測量的需要，設(shè)計了一種基于TDC-GP21芯片測量時間間隔的時柵信號處理系統(tǒng)。采用FPGA控制TDC芯片的高精度測量模式對整數(shù)部分時間脈沖進行計數(shù)，小數(shù)部分時間脈沖采用門電路延遲進行細測，使時間測量更為精確，從而提高了時柵位移傳感器的分辨率；通過校準測量對測量結(jié)果進行補償修正，減小了測量誤差。實驗結(jié)果表明:采用該系統(tǒng)后72對極的圓時柵在0°～ 360°測量范圍內(nèi)，傳感器的原始測量精度達到±1″，分辨率為0.036″。

TDC-GP21； 時柵； 時間間隔測量； 信號處理

0 引 言

面對現(xiàn)代傳感器高度集成化、智能化、高精度的發(fā)展需要，對時柵位移傳感器信號處理系統(tǒng)提出了更高的要求。時柵位移傳感器將時間做為測量基準，采用“時間測量空間”實現(xiàn)位移檢測[2，3]，因此，對時間間隔的高精度測量尤為重要。而傳統(tǒng)的時柵信號處理系統(tǒng)采用的是高頻時鐘脈沖插補技術(shù)對感應(yīng)信號和同頻參考信號的相位差進行計數(shù)來計算時間間隔[4]。隨著研究的不斷深入，電場式時柵利用正交變換的電場構(gòu)建的運動參考系進行測量[5]，激勵信號頻率提高近100倍，需要將插補時鐘脈沖提高到數(shù)GHz才能獲得較高的測量精度。由于受器件性能參數(shù)等條件的影響，插補時鐘脈沖頻率受到限制。

本文設(shè)計了一種基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測量時間間隔的電場式時柵信號處理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制TDC粗值計數(shù)器完成整周期時間間隔測量，同時采用TDC內(nèi)部門電路延遲完成非整周期時間間隔測量和校準補償[6，7]，降低了對插補脈沖頻率的要求，減小了測量誤差，提高了傳感器的測量精度。實驗表明該系統(tǒng)能高速穩(wěn)定的正常工作。

1 電場式圓時柵工作原理

電場式圓時柵的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，動尺基體下表面覆有兩圈等間距的正弦電極，定尺基體上表面覆有內(nèi)外兩圈扇環(huán)形電極，兩圈電極的奇偶片分別相連，分別稱為A激勵電極和B激勵電極，A、B兩相激勵電極空間相位相差90°。動尺電極與定尺電極正對平行安裝，并留有一定間隙δ，正對電極形成差動電容[4]。

圖1 時柵傳感器工作原理圖Fig 1 Working principles of time grating sensor

傳感器工作時，在A，B激勵電極分別施加符號相反的同頻等幅正弦激勵電壓和余弦激勵電壓如圖1所示，在A激勵電極上施加UA+，UA-，則

UA+=-UA-=Umsinωt

(1)

式中Um為激勵信號幅值，ω為激勵信號角頻率。

經(jīng)耦合電場，在動尺上輸出一路呈周期性變化的駐波信號UOA為

(2)

式中Ke為電場耦合系數(shù)，W為極距，x為相對位移。

同理，在動尺上輸出另一路駐波信號UOB為

(3)

將耦合到的兩路駐波信號UOA和UOB合成一路行波信號UO為

(4)

將合成的行波信號UO經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后得動尺和定尺的相對角位移值。

2 精密時間間隔測量原理

2.1 脈沖插補計數(shù)

傳統(tǒng)時柵信號處理相位差時間間隔測量采用的是脈沖插補計數(shù)法[8]，即利用一個周期為T0的高頻脈沖插補待測時間間隔，對插補脈沖進行計數(shù)，而實際待測時間間隔Tc可以表示為

Tc=nT0+Ts-Tp

(5)

式中nT0為高頻時鐘脈沖的整周期時間，Ts和Tp為高頻時鐘脈沖的非整周期時間。

圖2 時間間隔測量原理圖Fig 2 Principle of time interval measurement

由時間間隔測量原理圖2可以看出，傳統(tǒng)脈沖插補計數(shù)法的不足之處在于，待測時間信號的起始沿和終止沿不能與參考時鐘完全同步，即待測時間間隔與高頻插補時鐘脈沖的觸發(fā)邊沿具有隨機性，無法測量到非整周期Ts和Tp部分的時間間隔，所以，會產(chǎn)生±1個時鐘周期的“盲區(qū)”，無法精確測量出待測時間間隔。

2.2 TDC時間間隔測量

為了減小脈沖插補計數(shù)帶來的“盲區(qū)”誤差，進一步提高測量精度，采用德國ACAM公司研發(fā)的TDC-GP21芯片對相位差時間間隔進行測量。整個TDC測量時間間隔模塊由參考時鐘周期的整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，整數(shù)部分(nT0)通過TDC的粗值計數(shù)器測出，小數(shù)部分(Ts和Tp)通過插值單元讀出。小數(shù)部分測量的主要原理是利用內(nèi)部門電路傳輸延時計算時間間隔，當信號通過全部門電路時，轉(zhuǎn)換部分精確地記下信號通過門電路的個數(shù)，完成時間信號的數(shù)字化，其分辨率是由信號通過一個門電路的延遲時間決定[9]。

由于門電路的時間延遲會隨供電電壓和溫度的影響，每次測量完成后，TDC會自動對門電路的延時進行校準測量。首先，通過內(nèi)部延遲單元測量時間間隔，然后，測量外部基準時鐘周期T1和T2；最后，由TDC-GP21內(nèi)部的算術(shù)邏輯單元(ALU)根據(jù)T1和T2對測量結(jié)果進行校準，以上計算、校準都是由TDC-GP21自動完成的。校準結(jié)果RESX和待測時間間隔Tc的計算公式如下

(6)

(7)

式中 RESX為校準值，T1和T2為校準時間，Tref為高頻參考時鐘。

3 信號處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于TDC-GP21電場式圓時柵位移傳感器信號處理系統(tǒng)以FPGA作為控制核心，用TDC-GP21進行相位差時間間隔測量。系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案框圖Fig 3 Block diagram of overall design of system

電場式圓時柵動尺輸出的行波信號UO經(jīng)信號調(diào)理電路放大、濾波、整形后形成的方波信號與同頻參考信號Ur比相，然后用TDC-GP21精確地測量出被測信號與參考信號的相位差，再由FPGA進行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)數(shù)碼管顯示出來，也可以通過RS—232送入上位機，便于對數(shù)據(jù)的進一步處理。

3.2 控制軟件設(shè)計

TDC-GP21作為系統(tǒng)信號處理模塊的核心，軟件部分主要是對TDC-GP21寄存器的設(shè)置和測量數(shù)據(jù)的實時處理，其時間間隔測量系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖4 時間間隔測量系統(tǒng)流程圖Fig 4 Flow chart of time interval measurement system

首先對TDC-GP21初始化為高精度模式，設(shè)置ALU計算后的自動校準測量值。然后向TDC-GP21發(fā)送命令，使TDC-GP21處于測量狀態(tài)。TDC-GP21接收到start信號后，開始計時，當接收到stop信號后ALU按照設(shè)定的模式進行時間間隔的計算、校準，然后產(chǎn)生中斷信號，讀取時柵傳感器輸出行波信號與參考信號之間的相位時間差，再經(jīng)標度轉(zhuǎn)化得到動尺相對定尺的角位移。若TDC-GP21接收到start信號后在規(guī)定的時間范圍內(nèi)沒有接收到stop信號，則測量時間溢出，TDC-GP21也產(chǎn)生中斷信號，程序重新進入初始化階段。兩種中斷信號的判別是通過向TDC-GP21發(fā)送讀取狀態(tài)寄存器命令，讀取狀態(tài)寄存器的值判斷中斷源。

4 實驗測試與分析

測試實驗框圖如圖5所示。采用LABVIEW產(chǎn)生激勵信號加載在傳感器定尺上，傳感器定尺安裝在六自由度平臺上，動尺安裝在RPI氣浮轉(zhuǎn)臺上，通過六自由度平臺調(diào)整動定尺之間的平行度和同心度。安裝完成后，控制氣浮轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)使動尺和定尺相對運動，傳感器動尺通過電場耦合得到輸出信號，輸出信號經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后得到動定尺之間的相對角位移值。

圖5 測試實驗框圖Fig 5 Block diagram of testing experiment

在相同條件下對72對極的電場式圓時柵傳感器進行了多次重復(fù)性實驗。實驗中，采用1 GHz高頻脈沖對行波信號和參考信號的相位差進行插補計數(shù)，能達到的最小分辨率是0.375″；而采用TDC芯片的時柵信號處理系統(tǒng)，由于其對時間測量的精度能達到100 ps，傳感器最小分辨率能達到0.036″，提高了測量分辨率。

基于上述實驗方法，采用TDC測量相位差時間間隔的時柵信號處理系統(tǒng)，傳感器整周的誤差曲線如圖6所示。

圖6 0°～360°誤差曲線圖Fig 6 Error curve for rang of 0°～360°

由實驗誤差曲線可以看出:整周誤差曲線存在一次誤差，一次誤差主要來源于傳感器動尺和定尺之間的安裝偏心；72對極的圓時柵在0°～ 360°測量范圍內(nèi)，傳感器的原始測量精度達到±1″，分辨率達0.036″。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于TDC-GP21電場式圓時柵傳感器信號處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用TDC芯片測量傳感器輸出信號與同頻參考信號的相位差，整數(shù)部分采用脈沖插補進行計數(shù)，小數(shù)部分采用內(nèi)部門電路延遲的方式進行細測，減小了脈沖插補法的量化誤差，改善了由傳統(tǒng)脈沖插補計數(shù)方式帶來的測量誤差；并通過校準測量減小了芯片隨溫度和電壓等變化帶來的測量誤差，提高了傳感器可靠性，優(yōu)化了時柵信號處理系統(tǒng)。

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[3] 于治成,鄭方燕,馮濟琴,等.納米時柵傳感器數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013(11):1548-1551.

[4] 高忠華,陳錫侯,楊繼森,等.直線時柵傳感器全誤差模型與誤差修正方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(8):87-89+93.

[5] 徐圣法.基于TDC_GPX的高精度時間間隔測量方法[J].國外電子測量技術(shù),2012(12):40-41，54.

[6] 杜念通,周 斌.一種基于TDC的相對頻差測量方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):140-142，146.

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Signal processing system design of electric-field type circular time grating sensor based on TDC-GP21*

DAN Min, ZHENG Fang-yan, WANG He-wen， ZHANG Han-xiao, WU Yu-mei, FAN Xing-chen

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education，Chongqing Key Laboratory of Time Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

To meet the high precision requirements of time interval measurement of signal processing system for time grating sensors,a signal processing system based on TDC-GP21 chip is proposed.FPGA is used to control high precision measurement pattern of TDC chip to count integer part of time pulse,and the decimal part of time pulse can be measured precisely using gating circuit delay.In this way,time value is measured more precisely and the measuring resolution of the time grating sensors is improved; calibration measurements are employed to compensate the measurement results,thus the measuring errors are reduced.The experimental results show that the original measurement precision of the time grating sensors with 72 pairs of poles reaches ±1″ and the resolution is enhanced to 0.036″ at range of 0°～360°.

TDC-GP21; time grating; time interval measurement; signal processing

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0089—03

2016—08—26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51435002,51305478)； 重慶市基礎(chǔ)研究與前沿研究計劃資助項目(CSTC2016JCYJA0505，CSTC2014JCYJA7002); 重慶市科委前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(CSTC2014JCYJA70002)

TP 274

A

1000—9787(2016)12—0089—03

但 敏(1990-),女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為測試計量技術(shù)及儀器。