光電碼盤四倍頻雙向計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

徐榕龍　江雄

摘 要：光電碼盤在轉(zhuǎn)角測(cè)量機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，但成本較低的光電碼盤的測(cè)量精度在某些應(yīng)用領(lǐng)域中不能滿足要求，設(shè)計(jì)電路提高基于光電碼盤測(cè)角機(jī)構(gòu)的測(cè)量精度能夠解決這類問題，而且成本低、體積小。本文簡(jiǎn)要介紹了光電碼盤的工作原理，為提高光電碼盤轉(zhuǎn)角測(cè)量精度，對(duì)碼盤輸出信號(hào)進(jìn)行四倍頻分析，設(shè)計(jì)了脈沖四倍頻電路模塊和雙向計(jì)數(shù)電路模塊，仿真驗(yàn)證了電路的可行性。

關(guān)鍵詞：光電碼盤 倍頻 雙向計(jì)數(shù)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（b）-0114-02

1 光電碼盤簡(jiǎn)介

光電碼盤是一種通過光電轉(zhuǎn)換將角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的光電傳感器，是一種集光、機(jī)、電一體的數(shù)字測(cè)角裝置。它的核心部分是高精度的計(jì)量光柵，由光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個(gè)碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分。它依靠計(jì)量光柵作為檢測(cè)工具，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，通過電子檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出脈沖信號(hào)，把位移或者角度信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬或者數(shù)字信號(hào)，其原理圖如圖1所示。光電碼盤每旋轉(zhuǎn)1密位則輸出一個(gè)周期脈沖，通過計(jì)算每次轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖個(gè)數(shù)即可計(jì)算出轉(zhuǎn)過的角度密位值，為辨別旋轉(zhuǎn)方向，碼盤提供相位相差90°的兩相脈沖。

光電碼盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、分辨率高，因此在雷達(dá)、指揮儀、經(jīng)緯儀、自動(dòng)測(cè)量、遙感等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展，光電碼盤已經(jīng)成為一種高精度角度傳感器。但在實(shí)際應(yīng)用中，不同價(jià)格的光電碼盤對(duì)轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度有所差別，精度高的碼盤一般價(jià)格較貴，不適用于需要控制成本的轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)，而對(duì)于便宜的光電碼盤，直接利用碼盤輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)所得到的結(jié)果不能滿足所要求的精度。

本文通過分析碼盤輸出信號(hào)四倍頻方案，設(shè)計(jì)碼盤輸出脈沖四倍頻電路，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的倍頻結(jié)果，將其應(yīng)用于輸出精度為1密位的碼盤，可將測(cè)角顯示精度提高到0.25密位。與直接使用高精度碼盤相比，此設(shè)計(jì)成本低，能滿足一般光電碼盤的需求。

2 輸出脈沖四倍頻分析

碼盤每轉(zhuǎn)動(dòng)1密位就輸出1個(gè)周期脈沖，直接對(duì)碼盤輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)只能精確到1密位，而設(shè)計(jì)所需的精度至少應(yīng)達(dá)到0.25密位，故直接對(duì)碼盤輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)不能滿足精度要求，可通過對(duì)碼盤輸出的脈沖進(jìn)行四倍頻達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。如圖2是對(duì)脈沖進(jìn)行四倍頻分析波形圖。每一個(gè)周期包含兩個(gè)邊沿信號(hào)，A、B兩路輸出信號(hào)相位相差恰為90°，若利用A、B兩路信號(hào)的邊沿信號(hào)共同計(jì)數(shù)，則在一個(gè)周期內(nèi)恰能計(jì)數(shù)4次，即每輸出一個(gè)脈沖代表光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)了0.25密位，可通過微分電路將邊沿信號(hào)轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號(hào)，再通過門電路輸出滿足計(jì)數(shù)要求的脈沖，以達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。

為了能辨別碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，計(jì)數(shù)電路對(duì)四倍頻電路輸出的信號(hào)有著特殊的要求，當(dāng)正向計(jì)數(shù)時(shí)，正向信號(hào)為脈沖信號(hào)，反向信號(hào)為高電平信號(hào)，而當(dāng)反向計(jì)數(shù)時(shí)，正向信號(hào)為高電平信號(hào)，反向信號(hào)為脈沖信號(hào)。所以，四倍頻電路最終輸出的信號(hào)如圖2的最后兩路信號(hào)所示。

3 電路設(shè)計(jì)

本文所有電路圖用Altium Designer 09[1]設(shè)計(jì)完成。

3.1 四倍頻電路設(shè)計(jì)

脈沖四倍頻模塊硬件設(shè)計(jì)采用了四組微分電路[2]與兩片74LS08芯片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)碼盤輸出信號(hào)四倍頻。AA端和BB端分別連接碼盤的A相和B相輸出信號(hào)，兩塊74LS08芯片的輸出端分別代表四倍頻電路的正向和反向脈沖輸出。

首先將碼盤輸出的A相和B相脈沖經(jīng)非門反向得到脈沖A、、B和脈沖，通過合適的微分電路將所有上升沿轉(zhuǎn)換為正的窄脈沖，經(jīng)過與門電路得到在一個(gè)碼盤輸出脈沖的周期內(nèi)具有4個(gè)由上升沿轉(zhuǎn)換出來的正向窄脈沖，輸出脈沖的周期縮短了4倍，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的四倍頻。由于雙向計(jì)數(shù)電路要求輸入的兩個(gè)方向脈沖是窄低電平脈沖和高電平組合，故還需將脈沖進(jìn)行邏輯非，通過一個(gè)四輸入與非門即可實(shí)現(xiàn)。

3.2 雙向循環(huán)計(jì)數(shù)電路

由于光電碼盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一密位輸出一個(gè)周期脈沖，故碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出6000個(gè)脈沖，經(jīng)四倍頻后為24000個(gè)脈沖，此時(shí)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周，計(jì)數(shù)電路需計(jì)數(shù)24000次，而24000轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為0101 1101 1100 0000，采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)方式需要至少15位，本設(shè)計(jì)采用4片74ls19芯片完全能滿足要求。計(jì)數(shù)電路各芯片的輸出端QA、QB、QC、QD連接STC89C52單片機(jī)[3]的P0口和P2口，再連接至數(shù)碼管以顯示輸出結(jié)果。

3.2.1 級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)

74LS193為二進(jìn)制可加可減計(jì)數(shù)器，輸出位數(shù)為4位，將4片這樣的芯片經(jīng)級(jí)聯(lián)可滿足所需要求。芯片的UP引腳為正向脈沖輸入引腳，與四倍頻電路正向脈沖輸入端相連，DWN引腳為反向脈沖輸入引腳，與4倍頻電路反向脈沖輸入端相連；BRW和CO引腳分別是借位引腳和進(jìn)位引腳，分別與下一級(jí)芯片的DWN和CO引腳相連，4片74LS193芯片照此法級(jí)聯(lián)形成雙向計(jì)數(shù)電路。該電路加減計(jì)數(shù)原理相似，以加計(jì)數(shù)為例，正向計(jì)數(shù)輸出脈沖輸入到最低級(jí)芯片的加計(jì)數(shù)端，當(dāng)最低級(jí)芯片計(jì)數(shù)值超過1111時(shí)，其進(jìn)位輸出端輸出一個(gè)低電平脈沖，作為下一級(jí)芯片的加計(jì)數(shù)端輸入信號(hào)，下一級(jí)芯片計(jì)數(shù)溢出后再向下一級(jí)芯片進(jìn)位，如此實(shí)現(xiàn)4塊芯片級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)。

3.2.2 清零與置數(shù)

當(dāng)正向計(jì)數(shù)到24000時(shí)，4塊計(jì)數(shù)芯片輸出0101 1101 1100 0000，此時(shí)C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6輸出同時(shí)為1時(shí)，若碼盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)從0開始循環(huán)計(jì)數(shù)，這一過程是通過清零電路實(shí)現(xiàn)的。其原理是C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6輸出同時(shí)為1時(shí)，三三輸入與門74LS11的輸出端輸出高電平，為了達(dá)到單片機(jī)復(fù)位時(shí)計(jì)數(shù)電路也清零的目的，從復(fù)位電路的開關(guān)近地端引出信號(hào)與74LS11的輸出端信號(hào)通過或門與計(jì)數(shù)電路清零端CLR引腳連接，一起控制計(jì)數(shù)電路清零，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)正向計(jì)數(shù)和復(fù)位即清零。

當(dāng)反向計(jì)數(shù)到零時(shí)，4塊芯片輸出均為零，繼續(xù)反向計(jì)數(shù)，最高位芯片的借位端BRW引腳將輸出一個(gè)低電平，并且只有這個(gè)時(shí)刻該引腳才輸出低電平，而芯片的置位端LD引腳低電平有效，4塊芯片的A、B、C、D引腳連接不同的電平表示不同的置位數(shù)值，其二進(jìn)制數(shù)原理與輸出端引腳相同，所以，將最高位芯片的借位端BRW引腳與置位端LD引腳連接，當(dāng)反向計(jì)數(shù)到零時(shí)，從24000開始循環(huán)計(jì)數(shù)。

4 仿真及分析

按照上面所述電路原理設(shè)計(jì)四倍頻雙向計(jì)數(shù)電路圖，用虛擬信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生碼盤的兩相輸出信號(hào)，用虛擬示波器測(cè)量ZZ端和FZ端的輸出信號(hào)，啟動(dòng)仿真，示波器測(cè)量得到的輸出信號(hào)的頻率是碼盤輸出信號(hào)的4倍，數(shù)碼管顯示每隔0.25增加或減小。證明設(shè)計(jì)的電路符合要求，能夠應(yīng)用于碼盤計(jì)數(shù)電路。

參考文獻(xiàn)

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[2] 華成英，童詩白.模擬電子計(jì)數(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

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