增量式光電編碼器信號處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)

王 直，施曉敏，丁建軍，王劉柱

（1.江蘇科技大學(xué) 電信學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中船重工第七零四研究所 上海 200031）

目前，在現(xiàn)代電子工業(yè)中，光電編碼器作為傳感手段被廣泛采用。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。通常，根據(jù)碼盤形式光電編碼器分為絕對式、增量式和混合式3種。增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相。

在實際應(yīng)用中，光電編碼器的輸出信號往往不能被直接采用，需要對此進(jìn)行相應(yīng)的拓展電路處理。文中針對丹麥SCANON公司的2RHIB型號的光電編碼器，設(shè)計了一種集光電隔離、鑒相、頻率電壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)整輸出等功能于一體的綜合性電路。該電路組成簡單、調(diào)整方便、線性度好、具有實用價值。

1 光電編碼器

采用丹麥SCANON公司的2RHIB型通心軸增量式編碼器。 該編碼器有4種輸出信號標(biāo)準(zhǔn)：1）“TP－標(biāo)準(zhǔn)”（Normal，TP－Standard）信號，輸出信號為3通道輸出：A、B、Z通道，即單通道或TP （方波輸出）標(biāo)準(zhǔn)通道。2）“TP－差分”（TPDifferential）信號，輸出信號為6通道：A、B、Z 通道和反向A、反向B、反向Z通道。3）“OL7272線驅(qū)動適應(yīng)于長電纜”（Line driver OL 7272 for extra long cable）的差分信號，傳輸距離可達(dá)100 m。 4）“用26C31芯片的線驅(qū)動電路”（Line driver chip 26C31）的差分信號，在5 V工作電壓下可以兼容RS－422 A。低壓輸出＜0.4 V。

2 光電編碼器輸出信號處理電路設(shè)計

此電路由電源模塊、編碼器的信號輸入模塊、光電隔離模塊、鑒相模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓調(diào)整模塊組成。以SCANCON的2RHIB光電編碼器為模型，可以滿足該型號不同輸出信號、不同分辨率的產(chǎn)品的信號轉(zhuǎn)換應(yīng)用要求。同時，為了滿足不同應(yīng)用場合對輸出電壓極性的要求，輸出電路提供了兩路電壓信號輸出，互為反相?？傇O(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 電路總設(shè)計框圖Fig.1 Circuit diagram of the overall design

2.1 光電隔離模塊設(shè)計

由于光電編碼器的頻率較高，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，光電編碼器輸出信號需經(jīng)光電隔離后才能進(jìn)行鑒相以及頻率電壓轉(zhuǎn)換。本電路中采用光耦TPL521－2以實現(xiàn)對于脈沖信號的光電隔離[2]。

由于選擇的TPL521－2是線性光耦，所以在設(shè)計電路時應(yīng)著重考慮光耦的下拉電阻取值，確保光耦的輸出波形良好。經(jīng)過反復(fù)實驗，最終選擇510 Ω。

2.2 鑒相模塊設(shè)計

2RHIB型光電編碼器輸出3組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩相一圈輸出N個脈沖，Z相一圈輸出1個脈沖，A、B兩相相位差90°。A相超前則正轉(zhuǎn)，B相超前則反轉(zhuǎn)。鑒相電路用來分辨A相超前還是B相超前，實現(xiàn)判斷當(dāng)前編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

考慮到鑒相的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本電路并未采用一般的由與非門、異或門和D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路[3]，而是選用了專業(yè)的正交解碼芯片LS7084來判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

本電路中LS7084可選擇X1或X4模式。電路工作在X1模式時，編碼器一個周期內(nèi)產(chǎn)生一個輸出脈沖，直接進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路；工作在X4模式時，A相和B相輸入信號的上升沿和下降沿均產(chǎn)生一個脈沖，即一個周期內(nèi)產(chǎn)生4個輸出脈沖，編碼器輸出脈沖以X4的細(xì)分模式進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路。具體視實際應(yīng)用情況而定。

2.3 頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

本電路設(shè)計將光電編碼器輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，選擇了使用簡單、測量精度高且不易受環(huán)境溫度干擾的頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片LM331。

2.3.1 LM 331簡介

LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器以及其他相關(guān)的器件。內(nèi)置溫度補償能隙基準(zhǔn)電源，在整個工作溫度范圍內(nèi)都具有很高的轉(zhuǎn)換精度和溫度穩(wěn)定性。且頻率適應(yīng)范圍寬（1 Hz～100 kHz）、線性度好、外圍電路簡單。LM331采用雙列直插式8腳封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Internal block diagram of LM331

LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時比較器、R-S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配 TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。各引腳功能如下：腳1為脈沖電流輸出端，內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源，脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同；腳2為脈沖電流輸出幅度調(diào)節(jié)端，Rs越小，輸出電流越大；腳3為脈沖電壓輸出端，不用時可懸空或接地；腳4為地；腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時時間常數(shù)RC；腳6為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端，低于腳7電壓觸發(fā)有效，要求輸入寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈寬Tw，腳7為比較器基準(zhǔn)電壓，用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平的高低；腳8為電源端，正常工作電壓范圍為4～40 V DC。

2.3.2 頻率電壓轉(zhuǎn)換

由LM331構(gòu)成的精密頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 F/V精密轉(zhuǎn)換電路Fig.3 F/V precision conversion circuit

輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1加有Vcc的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時，經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3時，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對電容CL充電，同時因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到2Vcc/3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時間由定時電路Rt、Ct決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多，輸出電壓（電容CL兩端的電壓）就越高，實現(xiàn)了頻率電壓的變換[4]。其中，輸出電壓Vo與fi的關(guān)系為：

R3的取值為：

電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器，但電容C1小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓Vo的紋波會小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時，輸出響應(yīng)會快些。這些因素在實際運用時要綜合考慮。

在具體應(yīng)用時需注意，輸入頻率脈沖信號經(jīng)RC微分電路加至LM331內(nèi)的輸入比較器，脈沖下降沿有效，而LS7084的CLK輸出端已是負(fù)尖脈沖信號，所以LM331的6腳和8腳之間無須接微分電路?？紤]到同一型號編碼器有不同的分辨率，本電路中，在LM331的1腳輸出端專門設(shè)計了四位SW3撥碼開關(guān)電路，分別連接不同的電阻，即RL可以取10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。電阻選擇方法如下。

1）計算輸入頻率：

注意：輸入頻率不得超過100 kHz。

2）計算電阻值：

選擇低于并最接近所計算出來的電阻值的電阻，也可以選擇多個電阻并聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)置。

2.4 其他部分電路設(shè)計

電源部分將24 V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成±15 V，+5 V，-12 V，用以給整個電路中的各個芯片供電。其中，專業(yè)電源轉(zhuǎn)換芯片LT1111構(gòu)成反極性降壓電路，輸出-15 V。

編碼器輸入信號部分針對2RHIB型光電編碼器的4種不同輸出信號，采用不同的接受信號芯片，從而進(jìn)行后續(xù)處理。輸入信號選擇的缺省連接為“TP-標(biāo)準(zhǔn)”或“TP-差分”。

電壓調(diào)整部分采用LM324運放，對LM331輸出的電壓根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。本電路設(shè)計了兩路電壓輸出，互為反相。其中，兩路輸出電壓均為可調(diào)。

3 電路調(diào)試

準(zhǔn)備萬用表、示波器和平口螺絲刀。按編碼器上各個顏色的線的定義正確接線，檢查電路板下沒有雜物，附近沒有熱源。檢查完畢確保無誤，給電路上電。

用萬用表測量電源部分的+15 V，+5 V電壓是否正確。若不正確，檢查相關(guān)電路。然后，用螺絲刀調(diào)節(jié)LT1111芯片8腳輸出端的電位器，使輸出-15 V。注意，-15 V的數(shù)值應(yīng)與+15 V對稱，以確保運放LM324的正、負(fù)供電電源對稱。最后測量-12 V電壓。

用示波器分別測光耦的輸入、輸出、LS7084的兩路輸入信號、UP/DN輸出、CLK輸出波形以及正反轉(zhuǎn)指示燈是否指示正確。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時，UP/DN應(yīng)輸出高電平，紅色發(fā)光二極管點亮；反之，低電平，綠色發(fā)光二極管點亮。CLK輸出波形應(yīng)能觀察到負(fù)尖脈沖。

將LM331的1腳的撥碼開關(guān)選擇100 k檔，編碼器的輸入頻率選擇10.8 kHz，用萬用表測量輸出電壓。分別調(diào)節(jié)兩路輸出電壓的電位器，測量兩路輸出電壓是否反相，數(shù)值是否正確。其中，順時針調(diào)節(jié)電位器，幅值減小，反之增大。注意，運放的實際輸出電壓值可能跟理論計算值存在誤差，這時，首先檢查運放的正、負(fù)電源是否對稱，平衡電阻是否選擇正確，若均無誤，則應(yīng)多次調(diào)節(jié)電位器，使誤差最小。調(diào)試完成后，斷電。

4 結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)的最終調(diào)試，本電路作為增量式光電編碼器輸出信號的處理電路是合適的，并且能夠保證信號輸出的穩(wěn)定和精度。實踐證明，此電路簡單、可靠，具有一定的實用價值。

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