专利名称：基于tdc计时器的高精度位置信号检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置检测技术，尤其是一种利用机械运动连续性特征，采用高精度时间测量方法，实现运动过程中的位置信号精度检测的方法及装置，具体地说是一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法和装置。
背景技术：
众所周知，高精度位置信号检测是数控装备、精密测量仪器系统的重要组成部分。尤其对于闭环控制系统中，位置信号检测的精度决定了加工精度。要提高检测精度，就要选用更高分辨率的检测装置，而高分辨率的检测装置价格高昂，在普通数控装备上使用时极不经济，并且精密的检测装置对于使用环境的要求十分苟刻。因此，如果能够突破检测装置本身的局限性，研究出一种成本相对较低、位置精度相对较高的检测装置，将具有十分重要的意义。针对这个问题，国内外学者和科技工作人员展开了许多研究，提出了机电结合法，这一方法的基本思想是通过升速传动装置将旋转或摆动进给轴与传感装置旋转轴连接起来，利用传动装置的升速比，增大角度检测装置的旋转角度，从而提高检测分辨率。如果传动装置的升速比为M，则传感器的分辨率可提高M倍。邓方、陈杰与陈文颉等为解决高精度光电编码器检测中存在的问题，用此方法以蜗轮蜗杆对步进电机的输出角位移进行细分，提高了电机的控制精度。然而，由于该方案中存在机械传动链，尽管传动链主要传递运动，传动力矩很�。故谴嬖诖湎逗突当湫危虼耍梅桨富岬贾侣龀迨涑霾痪取⑽蟛罱洗蟮惹榭�。
发明内容
本发明的目的是针对目前高分辨率的检测装置价格高昂、使用环境的要求十分苟亥IJ，难以满足生产需要的问题，提供一种分辨力与测量精度度，成本低的基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法和装置。
本发明的技术方案之一是
一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法，其特征是它包括以下步骤
首先，利用信号调理电路对检测装置输出的两路正交信号进行信号调理，再通过斩波器，实现调制；
其次，将经过调制后的信号及经移向器移向后的基准脉冲一起送入斩波器中进行斩波处理；
第三，将经过斩波器斩波处理的信号送入加法器中进行加法处理，再经过带通滤波器滤除低频调制频率和三次谐波以上的频率，使得原本对空间位移的测量转化为对时间信号相位角的测量，进行过零比较，可以得到同频同相的方波信号；
最后，将方波信号和移向器输出的载波脉冲信号同时送入可以达到ps (皮秒)级的TDC(时间数字转换)计时器，进行计数，经过数学计算会得到n、N两个值，对这两个值进行计算，即得到相应的角度值，根据角度值最终算出检测装置最终的位置坐标。其中，η表示为载波脉冲与公式(10)中待测信号的相位差值所记脉冲数，N表示为公式(10)中待测信号半个周期的所记脉冲数。本发明的技术方案之二是 一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测装置，其特征是它主要由信号调理电路I、第一斩波器2、第二斩波器3、加法器4、带通滤波器5、过零比较器6、TDC计时器7、基准脉冲电路8和移向器9，信号调理电路I的输入端与检测装置的两路输出端相连，信号调理电路I的两路输出端分别与对应的第一斩波器2和第二斩波器3的一路输入端相连,第一斩波器2和第二斩波器3的另一路输入端分别与移向器9对应的输出端相连,移向器9的输入端接基准脉冲电路8的输出端，第一斩波器2和第二斩波器3的输出端分别接加法器4对应的两个输入端，加法器4的输出接带通滤波器5的输入端，带通滤波器5的输出端接过零比较器6的输入端，过零比较器6的输出端及移向器9的载波脉冲信号同时接TDC计时器7的输入端，TDC计时器7的输出端接由FPGA实现高精度位置测算�？�10的输入端，高精度位置测算�？�10经计算后输出位置信号给控制系统。所述的基准脉冲电路8为输出固定频率的基准脉冲电路。本发明的有益效果
本发明利用普通精度的检测装置即可实现位置检测信号的精确测量，有效地提高检测装置的分辨力及测量精度，降低实际成本。
图I是本发明的检测装置的原理框图。图2是本发明的TDC核心测量单元的原理图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。实施例一。如图1、2所示。一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法，它包括以下步骤
首先，利用信号调理电路对检测装置输出的两路正交信号进行信号调理，再通过斩波器，实现调制；
检测装置输出的两路正交信号为
Ur(x) =U0-U' rsin Θ (X) (I)
f/-(x) 二 Un(2 )
θ{χ) = —(3)
is
式中是机械位移角；％是输出信号上叠加的直流电平山是截距，X是角度传感器动静间的相对位移量；为输出信号的幅值；其次，将所得的信号滤波、减法、放大等相关的信号处理，得到两路新的电信号
/ -i/, an6 (x)⑷
F1 = Ur cnsd(x)(5)
第三，相位调制。引入一组频率为ω、相位差为90°的方波载波信号，并把它们展开成傅里叶级数形式
— — 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
斩波调制和两相求和后的输出信号为
_:f钟W*⑶
-Ur+ ΘJ + ~+ Θ| + &sin[5firf + 沒(jc)]+-·)
经带通滤波器滤波，滤除低频调制频率和三次谐波以上频率，
&=HK
得:
F(i) =f/rsin[ OfHh5(x)](9)
可以看出，经过上述处理已将空间位移信号“寄载”到式(9)的时间信号上。由于
与空间位移量成正比，使得原本对空间位移的测量转化为对时间信号相位角的测量第四，过零比较。将式(9)的信号进行过零比较，可以得到同频同相的方波信号
I>0
Φζ/CBSt + ff) =M(10)
O sin +6* < O
第五，将式(10)所表达的信号和载波脉冲信号同时送入TDC计时器，按照下述方法进行计数，会得到η、N两个值，其中，η表示为载波脉冲与(10)中待测信号的相位差值所记脉冲数，N表示为式(10)中待测信号半个周期的所记脉冲数。TDC核心测量单元对START和STOP脉冲之间的时间间隔进行测量。每个门电路的传输延时典型值是65ps，TDC核心测量单元通过计数在STOP脉冲到来之前START信号通过的门电路个数来获得START与STOP信号之间的时间间隔。待测时间T最终以标准脉冲数给出。对这两个值按照式(11)进行计算，可以得到一个周期内的角度值。0=~χπ(11)根据角度值就可以算出最终的位置。实施例二。如图1-2所示。一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测装置，它主要由信号调理电路I、第一斩波器2、第二斩波器3、加法器4、带通滤波器5、过零比较器6、TDC计时器7 (型号可为TDC-GP2)、基准脉冲电路8和移向器9，如图1，信号调理电路I的输入端与检测装置的两路输出端相连，信号调理电路I的两路输出端分别与对应的第一斩波器2和第二斩波器3的一路输入端相连，第一斩波器2和 第二斩波器3的另一路输入端分别与移向器9对应的输出端相连，移向器9的输入端接基准脉冲电路8 (输出固定频率)的输出端，第一斩波器2和第二斩波器3的输出端分别接加法器4对应的两个输入端，加法器4的输出接带通滤波器5的输入端，带通滤波器5的输出端接过零比较器6的输入端，过零比较器6的输出端及移向器9的载波脉冲信号同时接TDC计时器7的输入端，TDC计时器7的输出端接高精度位置测算�？�10 (可采用计算机或具有计算功能的单片机�？槭迪郑部刹捎萌砑右允迪�)的输入端，高精度位置测算�？�10经计算后输出位置信号给控制系统，TDC计时器7的原理如图2所示。本实施例中的信号调理电路I、第一斩波器2、第二斩波器3、加法器4、带通滤波器5、过零比较器6、TDC计时器7、基准脉冲电路8和移向器9均为常规电路，可采用现有技术或教科书中的相关电路加以实现。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法，其特征是它包括以下步骤 首先，利用信号调理电路对检测装置输出的两路正交信号进行信号调理，再通过斩波器，实现调制； 其次，将经过调制后的信号及经移向器移向后的基准脉冲一起送入斩波器中进行斩波处理； 第三，将经过斩波器斩波处理的信号送入加法器中进行加法处理，再经过带通滤波器滤除低频调制频率和三次谐波以上的频率，使得原本对空间位移的测量转化为对时间信号相位角的测量，进行过零比较，可以得到同频同相的方波信号； 最后，将方波信号和移向器输出的载波脉冲信号同时送入可以达到皮秒(PS)级的时间数字转换(TDC)计时器，进行计数并进行数学计算得到相应的角度值，根据角度值最终算出检测装置最终的位置坐标。
2.一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测装置，其特征是它主要由信号调理电路(I)、第一斩波器(2)、第二斩波器(3)、加法器(4)、带通滤波器(5)、过零比较器(6)、TDC计时器(7)、基准脉冲电路(8)和移向器(9)，信号调理电路(I)的输入端与检测装置的两路输出端相连，信号调理电路(I)的两路输出端分别与对应的第一斩波器(2)和第二斩波器(3)的一路输入端相连，第一斩波器(2)和第二斩波器(3)的另一路输入端分别与移向器(9)对应的输出端相连，移向器(9)的输入端接基准脉冲电路(8)的输出端,第一斩波器(2)和第二斩波器(3)的输出端分别接加法器(4)对应的两个输入端，加法器(4)的输出接带通滤波器(5)的输入端，带通滤波器(5)的输出端接过零比较器(6)的输入端，过零比较器(6)的输出端及移向器(9)的载波脉冲信号同时接TDC计时器(7)的输入端，TDC计时器(7)的输出端接由FPGA实现的高精度位置测算�？�(10)的输入端，高精度位置测算�？�(10)经计算后输出位置信号给控制系统。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述的基准脉冲电路(8)为输出固定频率的基准脉冲电路。
全文摘要
一种基于TDC计时器的高精度位置信号检测方法和装置，其特征是将检测装置输出的两路正交信号进行信号调理，再通过斩波器，实现调制，通过加法器后，再经过带通滤波器，滤除低频调制频率和三次谐波以上频率，使得原本对空间位移的测量转化为对时间信号相位角的测量，进行过零比较，可以得到同频同相的方波信号，将式信号和载波脉冲信号同时送入可以达到ps级TDC计时器(TDC-GP2)，进行计数和计算，可以得到相应的角度值，根据角度值就可以算出最终的位置。本发明实现位置检测信号的精确测量，有效地提高检测装置的分辨力及测量精度，降低实际成本。
文档编号G01D5/244GK102620755SQ20111031097
公开日2012年8月1日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者廖文和, 杨文安, 郭宇 申请人:南京航空航天大学
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