一种光栅信号仿真发生器

摘要

本发明公开了一种光栅信号仿真发生器，它包括控制、通信、信号产生、相位偏移、直流偏移、噪声产生、波数控制和D/A转换模块。信号产生、相位偏移和直流偏移模块依序连接，产生参数可调的信号；再与噪声产生模块叠加后到波数控制模块；D/A转换模块将数字信号转为模拟信号输出；控制模块经通信模块与信号产生、相位偏移、直流偏移、噪声产生和波数控制模块相连，以实现控制功能。本信号发生器能模拟光栅和激光干涉位移测量的实际情况，输出两路频率、幅值、相位、波形个数和直流偏移均可控的正余弦信号，可加载不同程度随机噪声以模拟实际情况，并能给出仿真的位移量值，用于光栅和激光干涉位移测量中正余弦信号计数细分电路误差分析和校正补偿研究。

权利要求

1.一种光栅信号仿真发生器，包括控制模块、通信模块、信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块、波数控制模块和D/A转换模块，其特征在于：所述信号产生模块、相位偏移模块和直流偏移模块依序连接，信号产生模块产生的信号分两路，经相位偏移模块和直流偏移模块，形成设定相位及相位差和设定直流偏移的两路信号，从直流偏移模块输出；

所述直流偏移模块的输出信号经波数控制模块和D/A转换模块后，输出两路设定输出波形个数、相位及相位差、直流偏移的正弦或余弦信号；

所述控制模块通过通信模块，分别与信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块和波数控制模块相连，用于设置相位及相位差、直流偏移、输出波形个数；

所述波数控制模块通过对信号波形个数计数，当波形个数达到预设值时，停止信号输出，实现规定个数的波形输出。

2.根据权利要求1所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于，其还包括噪声产生模块，其通过通信模块与控制模块相连，由控制模块设定其工作参数；噪声产生模块的输出与所述直流偏移模块输出相加后，送入波数控制模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述控制模块运行于计算机中，通过串行通信口与通信模块相连；信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块、噪声产生模块和波数控制模块通过DSP系统来实现。

4.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述通信模块为DSP系统的SCI口，通过USB串口与计算机实现通信连接，或\和所述信号产生模块根据DSP系统时钟分频来产生不同频率的信号。

5.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述相位偏移模块通过对信号产生模块输出的两路信号设定不同的延时，来实现不同的相移，用于实现两路信号相位差的严格控制。

6.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述直流偏移模块通过在原有信号的基础上添加设定大小的直流信号，来实现对信号不同直流偏移的控制，进而实现两路信号直流偏移量的调节。

7.根据权利要求3所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述噪声产生模块通过预存噪声数据在DSP系统中，工作时通过读取噪声数据，实现噪声生成。

8.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述D/A转换模块采用外接于DSP系统SPI口的DA芯片实现。

9.根据权利要求1或2所述的一种光栅信号仿真发生器，其特征在于：所述DSP系统是指DSP最小系统，其包括DSP芯片、电源电路、复位电路、时钟电路、D/A转换电路、USB串口电路和JTAG接口电路。

说明书

一种光栅信号仿真发生器

技术领域

[0001] 本发明属于信号源发生技术领域，更具体地，涉及一种光栅信号仿真发生器。

背景技术

[0002] 光栅和激光干涉计量技术是重要的位移精密测量技术，离不开正余弦信号高精度计数细分技术。工程实践中，由于光学、机械、电气和环境因素影响，难以保证实际光栅和激光干涉正余弦信号具有稳定的幅值、相位、频率、波形个数和直流漂移，信号中也不可避免存在噪声，这些都会影响光栅和激光干涉位移测量精度。为降低或避免相关因素对光栅和激光干涉计量精度的影响，需要不断改善正余弦信号计数细分电路系统，研究稳健的正余弦信号计数细分电路和信号误差分析补偿算法。在相关研究及电路与算法面对各种信号因素影响的有效性测试中，工程实际正余弦信号仿真发生器必不可少。

[0003] 目前，信号发生器的实现方法有很多。一类是模拟电路法，模拟电路法是利用模拟电路的方法来实现信号发生器，即使用电容、电阻、运放等传统的电子器件搭建RC或LC正弦信号发生器。输出频率的变化则是通过改变电路中元器件的参数值来实现的。这种方式虽然成本很低，但是因为这种方式使用了大量的分立元件，所以受它工作原理的限制，它的频率稳定度会降低；此外其它的各种调制功能也比较难以实现，需要很复杂的电路，调试麻烦且精度较低，也不能实现与上位机的通讯。另一类是直接数字频率合成法，直接数字频率合成技术是一种新的频率合成技术，它从相位的概念出发来直接合成所需波形。与传统的频率合成技术相比，它有很多的优点，例如具有更高的频率分辨率，更快的频率转换速度，更易编程和全数字化，且更易集成，所以得到了越来越广泛的应用；但这种方法使用太多的芯片，不够简洁，不能随需要进行参数的任意调整。最后是微控制器控制DAC法，它是由MCU通过计算产生波形数据，再由DAC将波形数据转化为模拟电压值，连续输出以实现信号发生。因该法的很多功能都是通过软件实现，所以功能的可扩展性比较好且稳定可靠。但一般由该法设计的信号发生器功能往往不够全面，如不能实现初始相位的严格可控，即不可通过控制相位实现信号输出方向的正反随机变化，也就不能仿真位移的方向；不能加载不同程度的随机噪声，即不能模拟实际环境中的光栅信号，也就不能实现仿真信号对电路误差校正算法的验证；更不能给出仿真的位移量值，即不能实现给定波形个数的信号输出及输出过程停止和继续的随机控制，也就无法完成对计数和位移计量功能的验证。这些都导致由该法设计的一般的信号发生器不能满足光栅信号仿真发生器的技术要求，即不能产生理想的仿真光栅信号，也就不能很好的用于光栅和激光干涉位移测量正余弦信号计数细分辨向电路误差分析和校正补偿的研究。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可产生模拟的光栅和激光干涉位移测量中正交信号的信号发生器。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供的光栅信号仿真发生器，包括控制模块、通信模块、信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块、波数控制模块和D/A转换模块，其特征在于：

[0006] 所述信号产生模块、相位偏移模块和直流偏移模块依序连接，信号产生模块产生的信号分两路，经相位偏移模块和直流偏移模块，形成设定相位及相位差和设定直流偏移的两路信号，从直流偏移模块输出；

[0007] 所述直流偏移模块的输出信号经波数控制模块和D/A转换模块后，输出两路设定输出波形个数、相位及相位差、直流偏移的正弦或余弦信号；

[0008] 所述控制模块通过通信模块，分别与信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块和波数控制模块相连，用于设置相位及相位差、直流偏移、输出波形个数。

[0009] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器还包括噪声产生模块，其通过通信模块与控制模块相连，由控制模块设定其工作参数；噪声产生模块的输出与所述直流偏移模块输出相加后，送入波数控制模块。

[0010] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的控制模块运行于计算机中，通过串口与通信模块相连；信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块、噪声产生模块和波数控制模块通过DSP系统来实现；所述DSP系统是指DSP器件附加电源电路、复位电路、时钟电路、DA转换电路、USB串口电路和JTAG接口电路等外围电路构成。

[0011] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的通信模块为DSP系统的SCI口，通过USB串口与计算机实现通信连接。

[0012] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的信号产生模块根据DSP系统时钟分频来产生不同频率的信号。

[0013] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的相位偏移模块通过对信号产生模块输出的两路信号设定不同的延时，来实现不同的相移，用于实现两路信号相位差的严格控制。

[0014] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的直流偏移模块通过在原有信号的基础上添加设定大小的直流信号，来实现对信号不同直流偏移的控制，进而实现两路信号直流偏移量的调节。

[0015] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的所述噪声产生模块通过预存噪声数据在FLASH模块中，工作时通过读取噪声数据，实现噪声生成，以更真实的模拟实际的光栅信号。

[0016] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的波数控制模块通过对信号波形计数，当波形个数达到预设值时，停止信号输出，实现规定个数的波形输出，以用于仿真位移量值。

[0017] 进一步的，所述光栅信号仿真发生器的DA转换模块采用外接于DSP系统SPI口的D/A芯片实现。

[0018] 本发明提出的光栅信号仿真发生器能够能模拟光栅和激光干涉位移测量的实际情况，输出两路独立的频率、幅值、相位、波形个数和直流偏移均严格可控的正余弦信号，可加载不同程度的随机噪声以模拟实际情况，并能给出仿真的位移量值，用于光栅和激光干涉位移测量中正余弦信号计数细分电路误差分析和校正补偿的研究。

附图说明

[0019] 图1是本发明提供的光栅信号仿真发生器的系统原理框图；

[0020] 图2是本发明提供的光栅信号仿真发生器具体实施例的系统框图。

具体实施方式

[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0022] 图1示出了本发明提供的光栅信号仿真发生器的系统原理框图。主要包括控制模块、通信模块、信号产生模块、相位偏移模块、直流偏移模块、噪声产生模块、波数控制模块和D/A转换模块。其中，信号产生模块、相位偏移模块和直流偏移模块依序连接，将产生的信号进行参数调整；再将调整后的信号与噪声产生模块产生的噪声信号叠加后输出到波数控制模块，波数控制模块可将设定数量的波形输出到数模转换模块；数模转换模块将数字信号转换为模拟信号后输出；控制模块经通信模块与信号产生、相位偏移、直流偏移、噪声产生、波数控制模块相连，实现控制功能。

[0023] 工作时，通过控制模块设置信号频率、幅值、相位、直流偏移、噪声幅值和波形个数各参数，实现对其它各模块的参数控制功能，所述的控制模块运行于计算机中，通过计算机传递信号参数；其它各模块则通过DSP系统实现。通信模块实现控制模块与信号产生、相位偏移、直流偏移、噪声产生和波数控制模块的连接，本实施例通过USB串口实现计算机与DSP芯片SCI的连接，进而完成参数传递。信号产生模块可输出两路正弦或余弦信号，这里根据DSP系统时钟分频来产生不同频率的信号，并经放大来实现不同幅值的设置。相位偏移模块可以实现两路信号相位的严格控制，这里通过对两路信号设定不同的延时来实现不同的相位差，这样可以保证输出的两路信号有严格可控的相位差；实际光栅信号总是存在变化的相位差的，这里可以真实的模拟光栅信号，用于校正光栅信号的相位补偿电路和算法。直流偏移模块可以实现两路信号直流偏移量的调节，它是通过在原有正余弦信号的基础上添加设定大小的信号数值来实现信号不同直流偏移的控制。噪声产生模块可以产生不同程度的随机噪声，它是将预先产生的噪声数据存放于DSP系统内部的FLASH中，在需要时读出相应的噪声数值，与正弦或余弦信号叠加后输出到波数控制模块；此时的信号能够更真实的模拟实际的光栅信号，达到更好地仿真效果。波数控制模块可以控制输出的波形的个数，通过对输出波形个数的控制可以对应给出仿真的位移量值，这一功能可用于校正光栅信号的计数电路。D/A转换模块将数字信号转换为模拟电压信号输出，D/A转换芯片与DSP的SPI连接。

[0024] 在本发明实施例中，如图2所示给出了光栅信号仿真发生器具体实施例的系统组成框图。主要包括计算机、USB串口和DSP系统，DSP系统包括DSP芯片TMS320F2812、DA转换电路、电源电路、复位电路、时钟电路和JTAG接口电路，是一个典型的DSP最小系统。

[0025] 工作时，首先由计算机通过USB接口形式的串口向DSP发送仿真光栅信号的参数和操作命令；DSP芯片接收到参数和操作指令后，由固化在DSP芯片内的程序对其进行相应的处理，得到设定频率、幅值、相位、直流偏移、噪声水平和波形数量的两路正弦或余弦信号；再经D/A转换模块将数字信号转换为模拟信号，最后输出相对应的正弦或余弦仿真信号，完成信号产生。电源电路为系统各模块提供所需要的电压；复位电路用于特殊情况下DSP的复位，为系统提供保护，以保证系统的正常运行；时钟电路为DSP提供系统时钟；JTAG接口电路用于程序的在线仿真调试。

[0026] 工作时，系统的控制模块运行于计算机中，主要用来设置波形参数和控制指令。首先在计算机软件操作界面中设置两路仿真信号的频率、幅值、相位及相位差、直流偏移、噪声和波形个数等参数；然后通过USB串口向DSP系统发出控制指令。

[0027] USB串口通信电路主要用于连接计算机和DSP系统，实现数据的传输。由于DSP芯片没有USB接口形式的串口，所以选用PL2303调节芯片，实现计算机的USB串口与DSP的SCI口的连接，进而实现通信功能。

[0028] DSP芯片是整个光栅信号发生器的核心部分，用来产生频率、幅值、相位及相位差、直流偏移、噪声和输出波形个数均可控的两路正弦或余弦信号。这里的DSP芯片选用的是TMS320F2812。TMS320F2812实现信号产生以及参数调整的原理具体如下：

[0029] 首先进行参数赋值，计算机通过串口将设置的参数值传递给DSP芯片，DSP芯片接收到数据后，首先进行幅值A、频率f、初相位φ、直流偏移Ad、噪声幅值An和周期数N的参数传递。接着是判断定时时间t是否到达，设f为信号频率，Pn为一个信号周期的采样点数，则nf为1秒钟输出的波形点数，则t＝1/(Pn*f)为一个采样点输出的定时时间，从而实现设定频率的正弦或余弦信号输出。定时时间到则进行信号幅值、初相位和直流偏移量的计算和设置，即输出信号为：Vsin＝Asin(2πf+πφ/180)+Ad，这样就实现了信号幅值、相位、直流偏移的设定。然后是产生[-1，+1]的随机数Z，易知rand()/RAND_MAX(设定为32767)可产生[0，+1]的随机数，再经运算Z＝2[rand()/RAND_MAX]-1，即可得[-1，+1]的随机数Z，并将其存入DSP内部的FLASH中，需要时读出相应的噪声数值，并叠加到上面已产生的信号上，即输出信号为：Vsin＝Asin(2πn1/n+πφ/180)+Ad+Z*An。然后设置波形输出点数P1和波形输出周期数N1的初始值为0，每个周期的采样点数Pn＝360，该点数可根据信号质量的不同要求进行适当调整。接着点数P1计数加1，当P1＝Pn时，设置P1＝0，计算波形输出周期数N1；当N1＝N时，设置N1＝0，这时开始进行信号电压值的D/A转换，最后将两路正弦或余弦信号输出，这两步主要用来实现给定波形个数的计算和输出控制。

[0030] D/A转换电路模块用于将DSP芯片产生的数字信号转换为对应的模拟电压值，再依次输出形成所需的波形，本系统选择的DAC芯片为AD5754R。

[0031] 电源电路为系统各模块提供所需要的电压；光栅计量仿真信号发生器使用220V的交流电源供电，而内部电路需要12V、5V、3.3V和1.8V的直流电压，因此首先需要使用变压器将220V的交流电压变为12V的直流电压，再选用LM2596实现12V电压到5V电压的转换，TPS767D301芯片实现5V电压到3.3V和1.8V电压的转换，以为整个电路系统提供所需的各个电压值。复位电路是对DSP芯片直接进行复位；这样可以在任何情况下对整个电路进行复位，防止程序跑飞或其它错误的出现。时钟电路主要为DSP提供系统时钟；通过对系统时钟的分频才可实现对频率和相位的调节和控制，这里使用的是30MHz的晶振；JTAG接口电路用来实现程序的在线仿真调试，通过JTAG接口将程序下载到DSP芯片的RAM中，方便调试程序时查找错误；调试完成后，最后将程序固化到DSP芯片的FLASH中。

[0032] 本发明提出的光栅信号仿真发生器能够输出两路独立的正弦或余弦信号，其幅值调整范围为±10.8V，频率调整范围为0-1000Hz，直流偏移与初始相位可任意调节，且能加载不同程度随机噪声以模拟实际情况，并能控制输出波形的数量，给出仿真的位移量值，用于光栅和激光干涉位移测量中正余弦信号计数细分电路误差分析和校正补偿的研究。

[0033] 上述具体实施方式的内容只是本发明的一个具体实例，本发明的内容并不局限于上述实例和附图公开的内容。对本发明的设计的结构和思路，做简单的变化或者更改设计，都落入本发明保护的范围。