Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller
The wide application of interferometers in various spheres of human activity makes its serial production, reduction of dimensions and reduction of cost of manufacturing of interferometers relevant. One of the simplest implementations of accurate displacement measurement is based on the Michelson qua...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/354599 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Data Recording, Storage & Processing |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Data Recording, Storage & Processing| _version_ | 1867479076422287360 |
|---|---|
| author | Бородін, Ю. О. Олейнік, Д. Е. Цубін, О. А. Пригун, О. В. Лапчук, А. С. Брицький, О.І. |
| author_facet | Бородін, Ю. О. Олейнік, Д. Е. Цубін, О. А. Пригун, О. В. Лапчук, А. С. Брицький, О.І. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Ю. О. Бородін",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
},
{
"author": "Д. Е. Олейнік",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
},
{
"author": "О. А. Цубін",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
},
{
"author": "О. В. Пригун",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
},
{
"author": "А. С. Лапчук",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
},
{
"author": "О.І. Брицький",
"institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України"
}
] |
| author_sort | Бородін, Ю. О. |
| baseUrl_str | http://drsp.ipri.kiev.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-08T07:18:31Z |
| description | The wide application of interferometers in various spheres of human activity makes its serial production, reduction of dimensions and reduction of cost of manufacturing of interferometers relevant. One of the simplest implementations of accurate displacement measurement is based on the Michelson quadrature laser interferometer. Calculation of displacement by conventional methods requires significant computation power that can be implemented only on large microcircuits. One of the methods of reducing the cost and size of this class of devices is implementation of simple and effective optical signal processing methods that would allow the use of simple microcontrollers to calculate the displacement from the optical signal of the interferometer. A simple and extremely effective method for calculating displacement based on the CORDIC algorithm has been developed, which is implemented in the form of a program for a simple and cheap Arduino chip for signal processing using the example of a horizontal seismometer of the SL-220 type. Experimental studies of the effectiveness and accuracy of the method have been carried out, as well as its comparison with other more complex methods that require more powerful computing devices, in particular the processing method using LabView software implemented on a separate analog-to-digital converter. Experimental results have shown that the system on the Arduino microcontroller using the CORDIC algorithm does not lose in the accuracy of displacement measurement, and has a significant advantage at higher displacement frequencies over method using direct complex algorithm displacement evaluation using more complex and expensive microcircuits, such as the system based on NI USB 6212 + LabView and ADC AD7656 + Raspberry Pi 3. Tabl.: 1. Fig.: 10. Refs: 32 titles. |
| doi_str_mv | 10.35681/1560-9189.2025.27.3.354599 |
| first_indexed | 2026-04-13T01:00:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технічні засоби отримання і обробки даних
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2025, Т. 27, № 3 89
DOI: 10.35681/1560-9189.2025.27.3.354599
УДК 003.85
Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін,
О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
вул. М. Шпака, 2, 03113 Київ, Україна
Обробка квадратурних сигналів інтерферометра
за допомогою мікроконтролера Arduino
Проаналізовано перспективність застосування простих, компактних і
дешевих мікросхем Arduino для обробки сигналу квадратурних інтерфе-
рометрів для визначення зміщення із субнанометровою точністю. Для
обробки квадратурного сигналу розроблено простий і надзвичайно ефе-
ктивний метод обчислення зміщення на основі алгоритму CORDIC,
який реалізовано у вигляді програми для простої і дешевої мікросхеми
Arduino для обробки сигналу на прикладі горизонтального сейсмометра
типу SL220. Проведено експериментальні дослідження ефективності
та точності методу, а також порівняння його з іншими більш склад-
ними методами, що вимагають більш потужних обчислювальних при-
строїв, зокрема методу обробки із застосуванням програмного забезпе-
чення LabView, реалізованого на окремому АЦП. Експериментальні ре-
зультати показали, що система на платі Arduino із застосуванням алго-
ритму CORDIC не програє точності вимірювання зміщення, має значну
перевагу на вищих частотах зміщень і в габаритах перед більш складними
і дорогими системами визначення нанозміщень, такими як сис-тема на
основі NI USB 6212 + LabView та АЦП AD7656 + Raspberry Pi 3.
Ключові слова: субнанометрові зміщення, квадратурний лазерний інте-
рферометр, мікроконтролер Arduino, аналогово-цифрова обробка, алго-
ритм CORDIC.
Вступ
У технологічних процесах, проведенні моніторингу чи наукових експеримен-
тів часто виникає необхідність високоточного субнанометрового вимірювання змі-
щень і вібрацій. З розвитком технології і науки вимірювання зміщень пройшли шлях
від рудиментарних механічних інструментів до сучасних високоточних вимірюва-
льних систем, що інтегрують оптику, електроніку та інші міждисциплінарні іннова-
ції. За цей час вимоги до точності вимірювань еволюціонували від мікрометрового
масштабу до нанометрового, субнанометрового та навіть пікометрового рівнів [1–3].
© Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін, О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін, О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
90
Зміщення можна виміряти за допомогою низки перетворювачів, що перетво-
рюють зміну відстані на електричний сигнал. Такими датчиками є ємнісні датчики,
лінійні змінні диференціальні трансформатори та датчики вихрових струмів [4].
Хоча ці датчики базуються на дуже різних принципах роботи, вони принципово об-
межені в роздільній здатності та динамічному діапазоні зміщення. Такі методи
мають обмеження на роздільну здатність, яка не перевищує одиниці мікрон (макси-
мальна чутливість досягається при суттєвому зменшені діапазону вимірювань) і не
є надійними в робочих середовищах з розсіяними магнітними полями. Ці обме-
ження перешкоджають їхньому використанню в багатьох сферах застосування, на-
приклад, таких як високоточні верстати, виробничі ланцюги або в надточних нау-
кових приборах.
Сучасна оптична інтерферометрія забезпечує субнанометрову точність вимі-
рювання зміщення до 10–5м [5] в широкому спектрі частот і діапазоні зміщень. Тому
оптична інтерферометрія находить широке застосування в багатьох сферах сучас-
ного виробництва, в наукових дослідженнях, у будівництві і в системах моніторин-
гу та захисту критичної інфраструктури [6–8]. Широке застосування інтерферомет-
рів у різних сферах людської діяльності робить актуальним його серійне виробни-
цтво, зменшення габаритів і здешевлення виготовлення інтерферометрів [9, 10].
Рис. 1. Оптична схема вимірювання зміщення гомодинним квадратурним лазерним інтерферомет-
ром Майкельсона: 1 — лазер з коліматором; 2 — кубічний поляризаційний дільник променя;
3 — нерухомий кутовий відбивач для опорного сигналу; 4 — кутовий відбивач на поверхні об’єкта;
5 — фазова λ/4 пластина; 6 — кубічний поляризаційний дільник променя; 7 і 8 — фотодіоди
Одним із найбільш точних методів вимірювання зміщення, який використо-
вується в даному досліджені, є метод на основі квадратурного лазерного інтерфе-
рометра Майкельсона, показаного на рис. 1 [11]. Квадратурна оптична схема дає два
гармонічних оптичних сигналу (зміні частини сигналів) отриманих на двох фото-
діодах, зсунутих по фазі /2, а саме I1 = A*sin (kx/2 + 0), I2 = A*cos (kx/2 + 0), де k
= 2π/ — хвильове число, а 0 — початкова фаза, що залежить від початкових по-
ложень дзеркал. Квадратурний інтерферометр гарантує максимальну чутливість
методу незалежно від величини зміщення і дає можливість однозначного визна-
чення напрямку руху. Для обчислення зміщення необхідно зробити точну обробку
Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2025, Т. 27, № 3 91
двох гармонічних сигналів квадратурного інтерферометра в реальному часі. Пряме
обчислення вимагає значних ресурсів і не може бути реалізовано на простих мікро-
схемах. Приклад функціональної схеми обробки квадратурних сигналів інтерфероме-
тра за допомогою АЦП NI USB 6212 та програмного забезпечення LabView показано
на рис 2.
Рис. 2. Блок-схема обробки сигналів інтерферометра за допомогою АЦП та LabView
В модернізованому сейсмометрі SL220 встановлено лазерний інтерферометр
з термостабілізованим лазерним діодом. Сигнали від двох фотодіодів потрапляють
на блок АЦП NI USB 6212 (аналоговий цифровий перетворювач). Оцифрований си-
гнал з виходу АЦП потрапляє на комп’ютер, де програмне забезпечення LabView здій-
снює обробку сигналів sin, cos. Нарешті сигнал переміщення (тобто сейсмічний сиг-
нал) у реальному режимі часу відображається на екрані монітора. Обробка двох гар-
монійних сигналів здійснюється за допомогою алгоритму lookup table (LUT), який де-
тально розглянутий у [12].
З вищесказаного випливає, що обчислення зміщення звичайними методами
вимагає значних обчислювальних потужностей, які можуть бути реалізовані на
швидких великих мікросхемах. Отже, одним із методів здешевлення та зменшення
габаритів установки точного визначення зміщень є застосування простих але ефек-
тивних методів обробки сигналу, які би дозволили застосовувати прості мікроконт-
ролери для обчислення зміщення з оптичного сигналу інтерферометра [13, 14]. У
даній роботі запропонований ефективний метод обробки оптичного сигналу інтер-
ферометра і його реалізація на компактній простій мікросхемі Arduino, що дозволяє
на порядок зменшити ціну електронних компонент інтерферометра.
Обробка сигналів інтерферометра
за допомогою мікроконтролера Arduino
Існує два ефективних спрощених методи обробки квадратурних сигналів квадра-
турних інтерферометрів, а саме: Gray Code [15] і Coordinate Rotation Digital Computer
(CORDIC) — Цифровий Комп’ютер для Обертання Координат [16]. Обробка сигна-
лів з квадратурного інтерферометра за методом Gray Code має відносно малу точ-
ність вимірювання відстані, що не перевершує /8 і є не ефективним на малих час-
тотах зміщення [15] f < 10 Гц. Було розроблено модифікований метод Gray Code,
який дозволяє суттєво підвищити точність вимірювання [17], але його реалізація
складніша і тому вимагає більш потужних мікроконтролерів. Тому в нашому дослі-
джені ми вибрали застосування алгоритму CORDIC як найбільш оптимального для
точного визначення величини зміщення з максимальним діапазоном частот при ви-
користані найпростіших мікросхем, з яких ми вибрали Arduino, як найбільш просту
і одну з найменш коштовних.
Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін, О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
92
Рис. 3 показує схему вимірювання зміщення квадратурного інтерферометра з
обробкою сигналу мікроконтролером Arduino [3]. У цьому методі замість АЦП + Lab-
View встановлено мікроконтролер Arduino, який виконує обробку квадратурних сиг-
налів.
Рис. 3. Блок-схема вимірювання зміщення квадратурного інтерферометра
з обробкою сигналу мікроконтролером Arduino
Arduino — це апаратна обчислювальна платформа для аматорського констру-
ювання, основними компонентами якої є плата мікроконтролера з елементами
вводу/виводу. Найбільш розповсюджені та використовувані моделі з відкритим ко-
дом на базі мікроконтролера ATmega328, такі як Arduino Uno та Arduino Nano.
Arduino Nano має розмір 44 мм на 18 мм
Квадратурні сигнали sin та cos з інтерферометра потрапляють на внутрішній
АЦП Arduino. На основі отриманої часової послідовності сигналів sin та cos обчис-
люється зміщення об’єкта за допомогою алгоритму CORDIC. CORDIC — це прос-
тий і самий ефективний алгоритм для обчислення зміщення по sin, cos сигналу ква-
дратурного інтерферометра [16], що вимагає мінімальної кількості найпростіших
операцій додавання, віднімання, зсуву і мінімального об’єму електронної пам’яті.
Для визначення зсуву по сигналу інтерферометра потрібно визначити кут, що
відповідає сигналу інтерферометра, а саме функцію atan2. Пряме обчислення фун-
кції atan2 є громіздким і вимагає великого обсягу обчислень. Використання таблиць
функції atan2 для точного визначення кута без прямого обчислення вимагає вели-
кого обсягу електронної пам’яті на мікросхемі, об’єм якої повинен зростати про-
порційно до точності визначення кута, і до відповідного зростання об’єму обчис-
лень. Тому для обчислення було вибрано спрощений метод CORDIC, який є най-
більш простим і ефективним методом обчислення atan2 з довільною заданою точ-
ністю. Стисло ключову ідею алгоритму CORDIC показано на рис. 4. Сигнал інтер-
ферометра в методі представляється точкою в декартовій системі координат, де по
координатам x і у відкладаються відповідно значення функції cos(x) і sin(x) сигналу
інтерферометра. Алгоритм CORDIC використовує систему спеціальних поворотів
такої системи координат з експоненціально зменшуючими кутами, які приводять
точку сигналу на вісь x для обчислення функції atan2 .
Перший поворот приводить сигнал у перший квадрант поворотом системи ко-
ординат на кратний /2 кут.
У подальшому система координат повертається на послідовність екпонен-
ційно зменшуючих кутів, кожен з яких наближає квадратурний початковий сигнал
до осі х нової координатної системи. При i + 1 повороті (i + 1 ітерації]) системи
координат у новій системі координат координати квадратурного сигналу xi+1, yi+1
запишуться через координати попередньої системи координат xi, yi як
Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2025, Т. 27, № 3 93
[
𝑥𝑖+1
𝑦𝑖+1
] = cos(𝑖) [
1 tg(𝑖)
− tg(𝑖) 1
] [
𝑥𝑖
𝑦𝑖
] . (1)
Рис. 4. Схема алгоритму CORDIC
Кути поворотів в ітераційному процесі вибираються так, щоби tg (𝑖) = 1/2і–1.
Перший тангенс відповідає куту /4, а у кожній наступній ітерації кута повороту в
такій послідовності поворотів зменшується приблизно в два рази. Алгоритм вико-
ристовує суму кутів поворотів системи координат з урахуванням знаку, що приво-
дить квадратурний сигнал на вісь X для обрахунку початкового кута квадратурного
сигналу. Знак наступного повороту, і отже тангенса кута, визначається знаком коор-
динати yi, отриманого на попередньому кроці ітерації. Він від’ємний при негатив-
ному значені yi і додатній при позитивному значені yi. Оскільки послідовність по-
воротів визначається тільки знаком yi, і при поворотах системи сигнал завжди є або
в першому, або в четвертому квадранті, де cos (𝑖) завжди позитивний, то множник
cos (𝑖) не впливає на знак повороту кута системи координат, а отже і на обрахунок
зміщення, і його можна опустити в рівнянні (1) при визначені наступного повороту
координатної системи. Таким чином, в алгоритмі поворотів залишаються операції
додавання та віднімання, а також множення на 1/2n, що в двійковій системі числення
зводиться до простого зміщення регістра. Кут сигналу визначається сумою кутів
повороту при проведені ітерацій з урахуванням знаку. Точність обчислення кута при
глибині ітерацій N можна оцінити як /2N+1, тобто експоненційно зростає з кількіс-
тю ітерацій. Тому невелика кількість ітерацій забезпечують високу точність обра-
хунку кута
Схему поворотів системи координат у методі CORDIC продемонстровано на
рис. 4, де показано переведення квадратурного сигналу з другого в перший квад-
рант ’, і три перші кроки ітераційного методу — повороти системи координат
на кути 1 = /4, 2 = /8 і 3 = –/16. Оранжеві штрихові лінії показують нові по-
ложення осей X та Y після відповідних поворотів кожної ітерації. Синя жирна
Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін, О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
94
стрілка показує зміщення з початкового квадранту (другий квадрант у випадку на
рис. 4) у перший квадрант; сині тонкі стрілки показують повороти системи коорди-
нат.
Кути поворотів в ітераційному процесі 𝑖 задаються таблицею. Зміщення ви-
значається через кут квадратурного сигналу θ за формулою
L = θ* (λ / 4π ). (2)
На рис. 5 показано розташування чотирьох функціональних блоків алгоритму
CORDIC для визначення кута квадратурного сигналу.
Рис. 5. Чотири етапи обробки квадратурного сигналу на основі алгоритму Cordic
Показані вище блоки CORDIC дозволяють перетворити квадратурі аналогові
сигнали на сигнал переміщення в межах одного періоду сигналу, коли кут θ змінює-
ться в межах від нуля до 360. Очевидно, що повний сигнал переміщення в одному
напрямку руху може бути значно більшим і складатися з декількох цілих періодів з
частиною наступного періоду. Тому для повного розрахунку зміщення потрібен лі-
чильник періодів. Загальний кут повороту сигналу в алгоритмі обчислюється як
число повних періодів повороту та додаткового повороту в наступному періоді.
На рис. 6 представлено схему лінійного зміщення об’єкта з відповідним квад-
ратурним сигналом і графіком обчисленого кута за алгоритмом CORDIC. Верхній
графік показує зміщення об’єкта, яке змінює напрямок через кожні 4 повні періоди
сигналу інтерферометра, нижні графіки показують квадратурні сигнали sin, cos, що
відповідають зміщенню на верхньому графіку. Середній графік показує зміну кута
квадратурного сигналу без лічильника періодів, обрахованого за алгоритмом
CORDIC, в якому кут змінюється в межах від нуля до 2π. При кожному проходженні
сигналу одного періоду потрібно до повного кута зміщення, отриманого за алгори-
тмом CORDIC, додати або відняти 2π, залежно від напрямку руху кута. Для лічиль-
ника періодів було використано алгоритм, який подібний до алгоритму, розробле-
ного фірмою Texas Instruments [17].
Рис. 6. Схема двонаправленого лінійного зміщення з графіком відповідних квадратурних сигналів
і графіком обчисленого кута за алгоритмом CORDIC
Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2025, Т. 27, № 3 95
На рис. 7 показано структурну блок-схему повної обробки квадратурних сиг-
налів sin, cos та обчислення сигналу переміщення на базі мікроконтролера Arduino.
Рис. 7. Структурна блок-схема обробки квадратурних сигналів sin, cos на Arduino
Експериментальні результати вимірювання зміщення
методом CORDIC на Arduino
За описаним вище алгоритмом обчислення зміщення методом CORDIC було на-
писано програму розрахунку та запрограмовано мікросхему Arduino, яка використову-
валася для експериментальних вимірювань зміщень шляхом обробки сигналу горизон-
тального квадратурного сейсмометра типу SL220 [12]. Як приклад роботи системи на
рис. 8 показано графік зміщення на плотері, що отриманий нами в експерименті за до-
помогою розробленої експериментальної установки.
Рис. 8. Графік зміщення на плотері, що отриманий при обчислені на мікросхемі Arduino за
алгоритмом CORDIC квадратурного сигналу від горизонтального сейсмометра типу SL220
Для порівнювання ефективності розробленого алгоритму виконувалося синх-
ронна обробка сигнал для отримання зміщення від сейсмометра SL220 за допомогою
програмного комплексу LabView та Arduino із використанням алгоритму CORDIC. В
експериментах проводився запис зміщення мембрани барометра. Аналіз результатів
параметрів двох методів наведено в таблиці. На рис. 9 та 10 показано приклад отрима-
ного зміщення двома методами. Порівняння графіків на рис. 9 та 10 показує, що обидва
методи дають фактично ідентичні результати як при малих, так і високих частотах змі-
щення. Аналогічні результати було отримано кожен раз при порівнянні двох сигналів
зміщення, отже методи мають аналогічні параметри в межах, де швидкості обробки
Ю. О. Бородін, Д. Е. Олійник, О. А. Цубін, О. В. Пригун, А. С. Лапчук, О. І. Брицький
96
сигналів знаходяться в діапазоні частот обох методів. Проте експерименти показали,
що алгоритм на базі CORDIC є набагато ефективніший і тому дозволяє обробляти сиг-
нал на значно більших частотах зміщення.
а) б)
Рис. 9. Запис сейсмічних сигналів у радіанах
у середовищі LabView (а) та його частотна характеристика (б)
а) б)
Рис. 10. Запис сейсмічних сигналів у радіанах у середовищі Arduino CORDIC (а)
та його частотна характеристика (б)
Параметри відтворення сигналу зміщення трьома методами представлено в таб-
лиці.
Технічні характеристики систем обробки квадратурних сигналів
Методи вимірювання
зміщення
NI USB 6212
+ LabView
АЦП AD7656
+ Raspberry Pi 3
Arduino +
CORDIC Atan2
Мобільний, реалізація Не є мобільним Мобільний Мобільний
Складність алгоритму Складний Найбільш складний Простий
Точність вимірювання 0,64 нм 0,64 нм 0,64 нм
Максимальна частота 0,2 кГц 0,86 кГц 2 кГц
Мінімальна частота Майже 0 Гц Майже 0 Гц Майже 0 Гц
Вартість 500 $ 50 $ 5 $
Із представлених у таблиці даних випливає, що система на основі Arduino з
алгоритмом CORDIC не програє в точності вимірювання зміщення, має значну пере-
вагу на вищих частотах зміщень і в габаритах перед більш складними та дорогими сис-
темами визначення зміщень, такими як системи на основі NI USB 6212 + LabView та
АЦП AD7656 + Raspberry Pi 3.
Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2025, Т. 27, № 3 97
Висновки
Проведений теоретичний аналіз і експерименти показали, що застосування ме-
тоду CORDIC є найбільш ефективним методом для перетворення квадратурних сигна-
лів інтерферометра на сигнал переміщення, найменш вибагливим до об’єму електрон-
ної пам’яті та простий у програмуванні. Тому обробка сигналу може проводитися на
простих, компактних мікросхемах типу Arduino з ефективністю та точністю, яка дося-
гається іншими методами тільки із застосуванням обробки сигналу на комп’ютері.
Ефективність алгоритму дозволяє вимірювати механічні зміщення на високих часто-
тах у реальному часі. Метод реалізовано у вигляді програми для простої і дешевої
мікросхеми Arduino для обробки сигналу на прикладі горизонтального сейсмометра
типу SL220. Теоретичний аналіз і експериментальні результати показали, що метод є
перспективним для застосування у портативних малогабаритних приборах вимірю-
вання зміщень із субнанометровою точністю та великим діапазоном частот.
1. Yuan J., Lyu B., Hang W., Deng Q. Review on the progress of ultra-precision machining
technologies. Front. Of Mech. Eng. 2017. Vol. 12. P. 158–180.
2. Gao W. Precision Nanometrology: Sensors and Measuring Systems for Nanomanufacturing.
Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2010. 367 p.
3. Demarest F.C. High-resolution, high-speed, low data age uncertainty, heterodyne displacement
measuring interferometer electronics. Meas. Sci. Technol. 1998. Vol. 9. p. 1024.
4. Wilson J.S. Sensor Technology Handbook. Newnes: London, UK, 2005. 94 p.
5. Abramovici A., Althouse W.E., Drever R.W.P., et al. LIGO: The Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory. Science. 1992. Vol. 256(5055). P. 325–335.
6. Bingham Ph.R., Tobin K.W., Hanson G.R., and Simpson J.T. Spatial heterodyne interferometry
techniques and applications in semiconductor wafer manufacturing. Proc. SPIE 5531, Interferometry XII:
Techniques and Analysis, 2004.
7. Wu S., Zhang B., Ding X., Zhang L., Zhang Zh., Zhang Z. Radar Interferometry for Urban
Infrastructure Stability Monitoring: From Techniques to Applications. Sastainability, 2023. Vol. 15, No. 19.
p. 14654.
8. Edited by M. Bhowmick. Optical Interferometry — A Multidisciplinary Technique in Science
and Engineering. IntechOpen Published: London, UK, 2022.
9. Watchi J., Cooper S., Ding B., Mow-Lowry C. M., Collette Ch. Contributed Review: A review
of compact interferometers. Rev. Sci. Instrum. 2018. Vol. 89, Nо. 12. Р. 121501.
10. Sorrentino F., Bongs K., Bouyer P., et al. A Compact Atom Interferometer for Future Space
Missions. Microgravity Sci. Technol. 2010. Vol. 22. Р. 551–561.
11. Field Guide to Displacement Measuring Interferometr. URL: https://doi.org/10.1117/3.1002328.
12. Britsky O., Gorbov I., Petrov V., Balagura I. A compact semiconductor digital interferometer
and its applications. Proc. SPIE 9506. Optical Sensors. 2015. Vol. 9506. 7 p. doi:10.1117/12.2178476.
13. Wang Y., Zhao F., Luo L., Li X. A Review on Recent Advances in Signal Processing in
Interferometry. Sensors. 2025. Vol. 25. P. 5013.
14. Carr J., Desmulliez M., Weston N., McKendrick D., Cunningham G., McFarland G., Meredith
W., McKee A., Langton C. Miniaturised optical encoder for ultra precision metrology systems. Precis. Eng.
2009. Vol. 33. P. 263–267.
15. Quadrature encoder system integration. URL:https://forum.digikey.com/t/quadrature-encoder-
system-integration/39576
16. Benammar M., Alassi A., Gastli A., Ben-Brahim L. New Fast Arctangent Approximation
Algorithm for Generic Real-Time Embedded Applications. Sensors. 2019. Vol. 19, No. 23. P. 5148.
17. TIDA-00176. Interface to Sin/Cos Encoders with High-Resolution Position Interpolation
Reference Design. URL: https://www.ti.com/tool/TIDA-00176
Надійшла до редакції 14.09.2025
https://books.google.com/books?id=fdeToUK8edMC&pg=PT94
https://www.researchgate.net/profile/Alex-Abramovici?_sg%5B0%5D=O9KqOO-lIK07g0HAwN2k0w3ZUyOSR79_uRdTTorlDuiz6L5vu1SUYdVDoAsSZIAQ1QMmyjY.n4RoqnBPNMmf6UANu1_6rH35NoG65R00-ZNx9rED651dLhtvDnykrpi0rVVQS6DLhuEoCX12PsTuL1a-eBBSbg&_sg%5B1%5D=2k0XppGDenH0QZIyqrQ848jJ_L9qGgzUL-54S174We2oxbmrLN5rn6DkFIyZKHfxbs6nrXw.CN1MStyQxkdJ0VURgLdgh_334ro619DcVr0j4xM4b-5uDQHQdTLBg1I6l36oR9eOESHlXzJAOYbVH6T-YtlasA&_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIiwicGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIiwicG9zaXRpb24iOiJwYWdlSGVhZGVyIn19
https://www.researchgate.net/scientific-contributions/William-E-Althouse-3036053?_sg%5B0%5D=O9KqOO-lIK07g0HAwN2k0w3ZUyOSR79_uRdTTorlDuiz6L5vu1SUYdVDoAsSZIAQ1QMmyjY.n4RoqnBPNMmf6UANu1_6rH35NoG65R00-ZNx9rED651dLhtvDnykrpi0rVVQS6DLhuEoCX12PsTuL1a-eBBSbg&_sg%5B1%5D=2k0XppGDenH0QZIyqrQ848jJ_L9qGgzUL-54S174We2oxbmrLN5rn6DkFIyZKHfxbs6nrXw.CN1MStyQxkdJ0VURgLdgh_334ro619DcVr0j4xM4b-5uDQHQdTLBg1I6l36oR9eOESHlXzJAOYbVH6T-YtlasA
https://www.researchgate.net/scientific-contributions/R-W-P-Drever-4950449?_sg%5B0%5D=O9KqOO-lIK07g0HAwN2k0w3ZUyOSR79_uRdTTorlDuiz6L5vu1SUYdVDoAsSZIAQ1QMmyjY.n4RoqnBPNMmf6UANu1_6rH35NoG65R00-ZNx9rED651dLhtvDnykrpi0rVVQS6DLhuEoCX12PsTuL1a-eBBSbg&_sg%5B1%5D=2k0XppGDenH0QZIyqrQ848jJ_L9qGgzUL-54S174We2oxbmrLN5rn6DkFIyZKHfxbs6nrXw.CN1MStyQxkdJ0VURgLdgh_334ro619DcVr0j4xM4b-5uDQHQdTLBg1I6l36oR9eOESHlXzJAOYbVH6T-YtlasA&_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIiwicGFnZSI6InB1YmxpY2F0aW9uIiwicG9zaXRpb24iOiJwYWdlSGVhZGVyIn19
https://www.researchgate.net/journal/Science-1095-9203
https://www.spiedigitallibrary.org/profile/Philip.Bingham-35212
https://www.spiedigitallibrary.org/profile/Kenneth.Tobin-7166
https://www.spiedigitallibrary.org/profile/John.Simpson-16781
https://www.intechopen.com/books/11156
https://www.intechopen.com/books/11156
javascript:;
javascript:;
javascript:;
javascript:;
javascript:;
https://doi.org/10.1117/3.1002328
https://forum.digikey.com/t/quadrature-encoder-system-integration/39576
https://forum.digikey.com/t/quadrature-encoder-system-integration/39576
https://www.ti.com/tool/TIDA-00176
|
| id | drspiprikievua-article-354599 |
| institution | Data Recording, Storage & Processing |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-09T01:00:31Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Інститут проблем реєстрації інформації НАН України |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | drspiprikievua/59/f2087421136a143ab9c43a5672d8ee59.pdf |
| spelling | drspiprikievua-article-3545992026-06-08T07:18:31Z Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino Бородін, Ю. О. Олейнік, Д. Е. Цубін, О. А. Пригун, О. В. Лапчук, А. С. Брицький, О.І. субнанометрові зміщення, квадратурний лазерний інтерферометр, мікроконтролер Arduino, аналогово-цифрова обробка, алгоритм CORDIC sub-nanometer displacements, homodyne quadrature laser interferometer, Arduino microcontroller, analog-to-digital processing, CORDIC algorithm The wide application of interferometers in various spheres of human activity makes its serial production, reduction of dimensions and reduction of cost of manufacturing of interferometers relevant. One of the simplest implementations of accurate displacement measurement is based on the Michelson quadrature laser interferometer. Calculation of displacement by conventional methods requires significant computation power that can be implemented only on large microcircuits. One of the methods of reducing the cost and size of this class of devices is implementation of simple and effective optical signal processing methods that would allow the use of simple microcontrollers to calculate the displacement from the optical signal of the interferometer. A simple and extremely effective method for calculating displacement based on the CORDIC algorithm has been developed, which is implemented in the form of a program for a simple and cheap Arduino chip for signal processing using the example of a horizontal seismometer of the SL-220 type. Experimental studies of the effectiveness and accuracy of the method have been carried out, as well as its comparison with other more complex methods that require more powerful computing devices, in particular the processing method using LabView software implemented on a separate analog-to-digital converter. Experimental results have shown that the system on the Arduino microcontroller using the CORDIC algorithm does not lose in the accuracy of displacement measurement, and has a significant advantage at higher displacement frequencies over method using direct complex algorithm displacement evaluation using more complex and expensive microcircuits, such as the system based on NI USB 6212 + LabView and ADC AD7656 + Raspberry Pi 3. Tabl.: 1. Fig.: 10. Refs: 32 titles. Проаналізовано перспективність застосування простих, компактних і дешевих мікросхем Arduino для обробки сигналу квадратурних інтерферометрів для визначення зміщення з субнанометровою точністю. Для обробки квадратурного сигналу розроблено простий і надзвичайно ефективний метод обчислення зміщення на основі алгоритму&nbsp; CORDIC, який реалізовано у вигляді програми для простої і дешевої мікросхеми Arduino для обробки сигналу на прикладі горизонтального сейсмометра типу SL-220. Проведено експериментальні дослідження ефективності та точності методу, а також порівняння його з іншими більш складними методами, що вимагають більш потужних обчислювальних пристроїв, зокрема методу обробки із застосуванням програмного забезпечення LabView, реалізованого на окремому АЦП. Експериментальні результати показали, що система на платі Arduino із застосуванням алгоритму CORDIC не програє точності вимірювання зміщення, має значну перевагу на вищих частотах зміщень і в габаритах перед більш складними і дорогими системами визначення нанозміщень, такими як сис-тема на основі NI USB 6212 + LabView та АЦП AD7656 + Raspberry Pi 3. Інститут проблем реєстрації інформації НАН України 2025-12-23 Article Article application/pdf https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/354599 10.35681/1560-9189.2025.27.3.354599 Data Recording, Storage & Processing; Vol. 27 No. 3 (2025): Special issue; 89-97 Регистрация, хранение и обработка данных; Том 27 № 3 (2025): Спецвипуск; 89-97 Реєстрація, зберігання і обробка даних; Том 27 № 3 (2025): Спецвипуск; 89-97 1560-9189 uk https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/354599/343186 Авторське право (c) 2025 Реєстрація, зберігання і обробка даних |
| spellingShingle | sub-nanometer displacements homodyne quadrature laser interferometer Arduino microcontroller analog-to-digital processing CORDIC algorithm Бородін, Ю. О. Олейнік, Д. Е. Цубін, О. А. Пригун, О. В. Лапчук, А. С. Брицький, О.І. Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title | Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title_alt | Обробка квадратурних сигналів інтерферометра за допомогою мікроконтролера Arduino |
| title_full | Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title_fullStr | Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title_full_unstemmed | Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title_short | Processing the quadrature signals of an interferometer using an Arduino microcontroller |
| title_sort | processing the quadrature signals of an interferometer using an arduino microcontroller |
| topic | sub-nanometer displacements homodyne quadrature laser interferometer Arduino microcontroller analog-to-digital processing CORDIC algorithm |
| topic_facet | субнанометрові зміщення квадратурний лазерний інтерферометр мікроконтролер Arduino аналогово-цифрова обробка алгоритм CORDIC sub-nanometer displacements homodyne quadrature laser interferometer Arduino microcontroller analog-to-digital processing CORDIC algorithm |
| url | https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/354599 |
| work_keys_str_mv | AT borodínûo processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT olejníkde processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT cubínoa processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT prigunov processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT lapčukas processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT bricʹkijoí processingthequadraturesignalsofaninterferometerusinganarduinomicrocontroller AT borodínûo obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino AT olejníkde obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino AT cubínoa obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino AT prigunov obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino AT lapčukas obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino AT bricʹkijoí obrobkakvadraturnihsignalívínterferometrazadopomogoûmíkrokontroleraarduino |