角位移传感器又称光电轴角编码器,是集光、机、电为一体的数字化角度位移测量装置,目前在工程实践中已得到广泛的应用,是智能加工、卫星通信、伺服系统、航空航天等系统中的重要组成单元。在一些重要的应用场合如航空航天技术领域,不但对编码器测角精度和分辨率提出较高要求,而且对测量系统的体积也有着苛刻的要求。目前国内市场中高端角位移传感器主要以国外产品为主,光电集成电路作为关键技术部分,目前全部由国外公司掌控。在此背景下,本文工作依托于科技部重大科学仪器设备开发专项,其中本文工作所承担的课题为ASIC光电集成芯片设计。根据科技部高技术研究发展中心的要求,同时为了填补国内高端角位移传感器产品的空白,打破国外市场的垄断和高端产品的技术壁垒,本文工作致力于开发专用光电集成芯片及信号处理芯片,实现高端角位移传感器的国产替代。在详细查阅国内外研究成果的基础上,从光电集成技术的原理出发,研究了光电探测器的工作原理、性能指标以及目前的技术工艺。针对绝对码道和增量码道探测器的集成方式进行深入研究,在探测器功能上进行扩展,实现了光栅集成和双码道探测器的集成。在标准CMOS工艺上增加了额外的工艺,实现了带介质层开窗以及抗反射膜的P-I-N光电二极管。实现22μm×600μm的较大尺寸,同时积分时间可达微秒级,具有很高的工作速度,完成了本文芯片的高速光信号的探测和处理工作。同时,深入分析莫尔条纹光电信号的产生原理及细分方法,重点研究了信号质量与细分误差之间的关系,并建立了当莫尔条纹光电信号中存在误差时的信号波形方程。根据莫尔条纹信号的输出原理,设计了一款光电接收芯片。结合每条码道的工作方式,配套设计了与其对应的高速、高线性度的读出电路,将光电探测器、信号放大电路、信号驱动电路等进行整合。同时,根据芯片的功能完成了辅助模块的电路设计,实现了信号的接收、光电信号的转换、信号的放大以及各个通道放大器的增益和失调量的调整。得到系统带宽可达300k Hz,模拟信号的输出摆幅达到0.6～2.4V,信号的输出一致性大于95%。完成整合光电探测器、信号放大电路、信号控制电路等系统,实现了光电编码器集成芯片的开发工作。根据电子学细分原理,设计了一款高速、低噪声、高精度模数转换器芯片,将光电接收芯片输出的模拟信号进行模数转换。在10MSps的采样率下,得到SFDR为71.4d B,SNDR为67.0d B,SNR为73.8d B,ENOB为10.71bit。采取数字域计算和校正的方法,信号输入到采样保持电路进行抗混叠滤波和采样。对于增量码道的输出信号做进一步的电子学细分。对于绝对码道的输出信号,经自适应运算后进行非一致性校正,输出信号的一致性超过95%。实现了将高精度角位移传感器的核心器件,即光电集成电路部分应用到编码器样机中。完成搭载本文芯片的编码器样机的研制,并针对编码器精码信号中存在的误差进行了深入研究,提出了基于粒子群算法和布谷鸟算法,对信号中存在的正弦性误差、幅值及直流分量误差进行补偿。针对光电接收芯片和信号处理芯片开发了专用测试系统,结合两款芯片的工作原理,首先进行了芯片功能性的测试工作。测试性能符合预期后,搭建了精度检测平台,对搭载本文芯片的编码器进行整机测试。选取22位编码器样机进行测试,验证了本文提出的误差补偿方案的有效性,精码细分误差的峰峰值最高可减小约60%。进一步,对25位编码器样机进行了实时检测,通过误差校正前后的对比,得到单周期内测量准确度能够达到0.41″。主要技术指标均已达到国际领先的水平,即分辨力大于25位,测角准确度小于1″,使该设备在国内的高端产品市场中实现了国产替代,彻底打破了国外的封锁。