增量式光電編碼器信號處理電路的設計與實現

王 直，施曉敏，丁建軍，王劉柱

（1.江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮江 212003；2.中船重工第七零四研究所 上海 200031）

目前，在現代電子工業中，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換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。通常，根據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換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相。

在實際應用中，光電編碼器的輸出信號往往不能被直接采用，需要對此進行相應的拓展電路處理。文中針對丹麥SCANON公司的2RHIB型號的光電編碼器，設計了一種集光電隔離、鑒相、頻率電壓轉換、電壓調整輸出等功能于一體的綜合性電路。該電路組成簡單、調整方便、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種輸出信號標準：1）“TP－標準”（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）標準通道。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線驅動適應于長電纜”（Line driver OL 7272 for extra long cable）的差分信號，傳輸距離可達100 m。 4）“用26C31芯片的線驅動電路”（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、頻率電壓轉換模塊、電壓調整模塊組成。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、不同分辨率的產品的信號轉換應用要求。同時，為了滿足不同應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。總設計框圖如圖1所示。

圖1 電路總設計框圖Fig.1 Circuit diagram of the overall design

2.1 光電隔離模塊設計

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

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

2.2 鑒相模塊設計

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，B相超前則反轉。鑒相電路用來分辨A相超前還是B相超前，實現判斷當前編碼器的旋轉方向。

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

本電路中LS7084可選擇X1或X4模式。電路工作在X1模式時，編碼器一個周期內產生一個輸出脈沖，直接進入轉換電路；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生一個脈沖，即一個周期內產生4個輸出脈沖，編碼器輸出脈沖以X4的細分模式進入轉換電路。具體視實際應用情況而定。

2.3 頻率電壓轉換模塊設計

本電路設計將光電編碼器輸出的頻率信號轉換成標準的電壓信號，選擇了使用簡單、測量精度高且不易受環境溫度干擾的頻率電壓轉換芯片LM331。

2.3.1 LM 331簡介

LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其他相關的器件。內置溫度補償能隙基準電源，在整個工作溫度范圍內都具有很高的轉換精度和溫度穩定性。且頻率適應范圍寬（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，其內部結構框圖如圖2所示。

圖2 LM331內部結構框圖Fig.2 Internal block diagram of LM331

LM331內部由輸入比較器、定時比較器、R-S觸發器、輸出驅動、復零晶體管、能隙基準電路和電流開關等部分組成。輸出驅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，內部相當于脈沖恒流源，脈沖寬度與內部單穩態電路相同；腳2為脈沖電流輸出幅度調節端，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為單穩態外接定時時間常數RC；腳6為單穩態觸發脈沖輸入端，低于腳7電壓觸發有效，要求輸入寬度小于單穩態輸出脈寬Tw，腳7為比較器基準電壓，用于設置輸入脈沖的有效觸發電平的高低；腳8為電源端，正常工作電壓范圍為4～40 V DC。

2.3.2 頻率電壓轉換

由LM331構成的精密頻率電壓轉換電路如圖3所示。

圖3 F/V精密轉換電路Fig.3 F/V precision conversion circuit

輸入脈沖fi經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電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc/3的直流電壓，反相輸入端經電阻R1加有Vcc的直流電壓。當輸入脈沖的下降沿到來時，經微分電路R1、C1產生一負尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當負向尖脈沖大于Vcc/3時，輸入比較器輸出高電平使觸發器置位，此時電流開關打向右邊，電流源IR對電容CL充電，同時因復零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容CL兩端電壓達到2Vcc/3時，定時比較器輸出高電平使觸發器復位，此時電流開關打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時，復零晶體管導通，定時電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復上述的工作過程。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，實現了頻率電壓的變換[4]。其中，輸出電壓Vo與fi的關系為：

R3的取值為：

電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經微分后有足夠的幅度來觸發輸入比較器，但電容C1小些有利于提高轉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，當輸入脈沖頻率變化時，輸出響應會快些。這些因素在實際運用時要綜合考慮。

在具體應用時需注意，輸入頻率脈沖信號經RC微分電路加至LM331內的輸入比較器，脈沖下降沿有效，而LS7084的CLK輸出端已是負尖脈沖信號，所以LM331的6腳和8腳之間無須接微分電路。考慮到同一型號編碼器有不同的分辨率，本電路中，在LM331的1腳輸出端專門設計了四位SW3撥碼開關電路，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的方式進行設置。

2.4 其他部分電路設計

電源部分將24 V直流輸入電壓轉換成±15 V，+5 V，-12 V，用以給整個電路中的各個芯片供電。其中，專業電源轉換芯片LT1111構成反極性降壓電路，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，從而進行后續處理。輸入信號選擇的缺省連接為“TP-標準”或“TP-差分”。

電壓調整部分采用LM324運放，對LM331輸出的電壓根據實際需求進行調整。本電路設計了兩路電壓輸出，互為反相。其中，兩路輸出電壓均為可調。

3 電路調試

準備萬用表、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，檢查相關電路。然后，用螺絲刀調節LT1111芯片8腳輸出端的電位器，使輸出-15 V。注意，-15 V的數值應與+15 V對稱，以確保運放LM324的正、負供電電源對稱。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指示燈是否指示正確。當編碼器正轉時，UP/DN應輸出高電平，紅色發光二極管點亮；反之，低電平，綠色發光二極管點亮。CLK輸出波形應能觀察到負尖脈沖。

將LM331的1腳的撥碼開關選擇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。分別調節兩路輸出電壓的電位器，測量兩路輸出電壓是否反相，數值是否正確。其中，順時針調節電位器，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、負電源是否對稱，平衡電阻是否選擇正確，若均無誤，則應多次調節電位器，使誤差最小。調試完成后，斷電。

4 結束語

經過系統的最終調試，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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