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引言

       由于光柵尺移動時輸出信號的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續電路要求信號基本穩定，無振蕩，因此該絕對值電路應滿足以下條件：1)能夠在較高頻率下正常工作；2)適用于高速化的場合；3)精度較高，信號基本無失真。要保證測量誤差在允許范圍之內，信號在經過絕對值電路后必須高度保真。通過上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對值電路應是最佳的選擇。

        為了達到較高的細分倍數，在對光柵莫爾條紋信號進行粗細分的同時，還需要對位移進行精細分。為提高細分速度，精細分電路采用全硬件設計，包括絕對值電路，多路選擇電路及A／D采樣電路。絕對值電路是模擬電路中處理數據信息的一種電路，在各類電子測電路中有著廣泛的應用。尤其在對正弦信號進行數字化幅值測量時，采用絕對值電路可以將雙極性信號轉換為單極性信號，便于計算機采集處理時去掉符號位，提高模數轉換的精度。所以絕對值電路精確與否，對后續的信號處理電路有著重要的影響。然而，在實際使用中，由于二極管壓降的存在，信號頻率的不同，以及元器件參數誤差等因素的影響，絕對值電路的輸出往往不夠理想，有時甚至嚴重失真，將在一定范圍內影響測量精度。為此，本文著將重探討幾種不同的絕對值電路，以確定出符合要求的最佳電路。

1 三種絕對值電路的設計方案

1．1 電路設計一

        資料上如圖1所示的絕對值電路較為常見。分析電路可知，當Vin>0時，D1截止，D2導通，輸入信號Vin通過第一級運放U1A反相放大，之后再與Vin一起進入后一級運放U1B構成反相加法器，根據電阻匹配關系，最后輸出為Vout=Vin；當Vin<0時，D1導通，D2截止，此時運放U1A處于深度負反饋狀態，所以輸入信號Vin直接經過運放U1B反相后，得到輸出Vout=-Vin。

圖1 簡單結構的絕對值電路

        在實際電路中，由于電源存在耦合干抗，零電位產生漂移，加之二極管并非理想狀態，導通時存在一定壓降，該絕對值電路效果往往不夠理想。特別是當輸入信號頻率較高時，在過零點處會產生明顯的失真，從而給信號的后續處理帶來極大的不便。

        圖2是當信號頻率為4 kHz時的輸出波形圖，由圖可知，在過零點處，幅值誤差為△U=40 mV，假設精細分電路對信號進行256細分，信號幅值為0．5 V。由于光柵尺移動一個柵距位移為0．02mm，則所允許的誤差δ應小于0．02 mmx1／4x1／256=0．019 5 μm，而當△U=40 mV時，誤差δ=0．02mmx1／4x1／256x(256x0．04V／0．5V)=0．000 4 μm，明顯超出了測量誤差所允許的范圍。

圖2 電路-輸出波形圖

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1．2 電路設計二
        圖3為改進后的絕對值電路，該電路在電源端分別接一個0．1μF的電容去耦；在運放的同相輸入端采用圖中電路結構，不僅可以通過調節電位器使零電位趨于穩定，抑制零點漂移，還能對波形的銜接處進行調整；當信號頻率增大時，運放芯片會使信號產生一定的延遲，即相位發生偏移，而圖中電容C1與電阻構成的電路會引起反相延遲，從而能對信號相位進行校正。

圖3 可調整失調的絕對值電路

        當輸入信號頻率為8 kHz時，輸出波形圖如圖4所示。

圖4 輸出波形圖

圖5 信號頻率為10kHz時輸出波形圖

        當信號頻率增大到一定值時，電路二的輸出同樣會出現失真。例如，當輸入信號頻率為10kHz時，其輸出波形如圖5所示。由波形圖可知，信號在過零點處的誤差達到了約80 mV，顯然不合要求。

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1．3 電路設計三
        由于光柵尺輸出信號的頻率最高能達到20 kHz以上，且隨著光柵尺移動速度的不同，信號頻率變化也較大，因此要求絕對值電路能對高頻信號進行精確處理，并能在動態條件下穩定工作。第二種電路雖然在結構上有所改進，但對高頻信號的處理效果仍不理想，如圖5所示，不能達到所需要求，而圖6所示的第三種絕對值電路可以很好地解決這一問題。

        與之前電路相比，該電路在電源去耦，濾波處理，以及各元器件型號和參數的選擇上都有較大的改進。另外，為減小差動放大器上來的信號源電阻，在二極管D1、D2的輸出上附加470 Ω的分流電阻。在高頻信號輸入以及高速化的工作條件下，該電路能對信號進行較好地處理，使輸出信號的幅值衰減很小，且過零點處信號基本無偏差。

圖6 高速化的絕對值電路

        當輸出信號頻率為25 kHz時，該電路的輸出波形圖如下：

圖7 輸出波形圖

2 結論
        由于光柵尺移動時輸出信號的頻率大約在5～25 kHz之間，且后續電路要求信號基本穩定，無振蕩，因此該絕對值電路應滿足以下條件：1)能夠在較高頻率下正常工作；2)適用于高速化的場合；3)精度較高，信號基本無失真。要保證測量誤差在允許范圍之內，信號在經過絕對值電路后必須高度保真。通過上述電路分析和比較，綜合各種因素可知，第三種絕對值電路應是最佳的選擇。