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。
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。
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
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
[1]王顯軍.光電編碼器的應(yīng)用—分類源于角度測量基準(zhǔn)[J].光機電信息,2010,27(10):22-27.WANG Xian-jun.Optical encoder applications-classification benchmark from the point of measurement[J].Optical and Electrical Information, 2010,27(10):22-27.
[2]李勁松.實軸增量式光電編碼器測量電路的設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2007,26(2):12-14.LI Jin-song.The design of measurement circuit of solidaxes photoelectric encoder[J].Laboratory Research and Exploration,2007,26(2):12-14.
[3]徐海,胡榮貴,張東.基于單片機的旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相方法研究[J].微型機與應(yīng)用,2010(13):20-23.XU Hai,HU Rong-gui,ZHANG Dong.The research of the rotary encoder’s pahase detected methods based on MCU[J].Microcomputer and Applications,2010(13):20-23.
[4]林漢.LM331壓頻變換器的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程,1999(10):20-22.LIN Han.Principle and applications of the voltage frequency converter LM331[J].Electronic Design Engineering,1999(10):20-22.
[5]陳佳星,龍顯彪.射線探測儀器的高壓電源研制及性能改進(jìn)[J].湖南農(nóng)機,2010,37(1):28-30.CHEN Jia-xing,LONG Xian-biao.The development and performance improvement of high-voltage power supply ray detecting instruments[J].Hunan Agricultural,2010,37(1):28-30.
[6]譚建軍.一款基于LM324集成運放廉價高性能儀用放大器[J].電訊技術(shù),2004(3):160-162.TAN Jian-jun.A high performance and low-cost instrumental amplifier based on LM324[J].Telecommunications Technology,2004(3):160-162.