基于光电增量式旋转编码器的四倍频检测电路设计Word文档下载推荐.docx

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Photoelectricincrementalrevolvingencoderdisplacementsignalconvertedintodigitalsignalsbydetectingtheangleofshaftturned.Thispaperbasedontheoriginallowprecisionoutputwaveformthendesignfrequencycircuitoffourtimes.Withoutanyincreaseinputinhardwareandimprovingprecisionandaccuracy,makethiscircuitbesuitablefordisplacementdetectionprecisionoccasion.Itmainlyincludescircuitoffourtimesandfrequencycircuit.

Thispaperbrieflyintroducestheprinciple,theclassificationandencoder.Thenintroducedthecharacteristicsofsinglestateflip-flopSN74174Nanditsfunction,introducesphotoelectricrevolvingencoder。

Ialsodesignethecircuitoffourtimesandintroductionitsworkingprincipleandfunction,anduseMultisimsimulationthefrequencycircuitoffourtimes.Experimentshowsthatthissystemisstableandreliableandhasgreatpracticalvalue.

Keywords：

PhotoelectricencoderMultisimfourtimesthefrequencycircuitDigitalcircuitsimulation

1引言

1.1课题的概述

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。

近10多年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。

随着科学技术和测控技术的发展,对光电编码器的技术指标和测量精度提出了更高的要求，在系统精度、光栅刻度精度以及安装精度不变的情况下，本文从光电编码器输出信号中，检测出旋转方向和四倍频的旋转脉冲，设计四倍频电路，在不增加大量投入的前提下，达到提高编码器的测量精度的目的。

1.2旋转编码器的现状

工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。

可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：

　　信息化：

除了定位，控制室还可知道其具体位置；

　　柔性化：

定位可以在控制室柔性调整；

　　多功能化：

除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

　　经济化：

对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

现场安装的方便和安全、长寿：

拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个μ到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

　　如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

1.3本课题研究的目的

在系统精度、光栅刻度精度以及安装精度不变的情况下，本文从光电编码器输出信号中，检测出旋转方向和四倍频的旋转脉冲，设计四倍频电路，在外部条件不变时，使编码器输出更多的脉冲波形，即不外加大量投入的前提下，达到提高编码器的测量精度的目的。

随着科学技术的飞速发展，电子设计的规模越来越大，复杂度越来越高，光电编码器作为一种传感器具有精度高、耗能低、非接触无磨损、稳定可靠等优点也已被广泛应用于测速，精确定位等场合。

在数控，纺织机械，印染行业有着广泛的应用。

而且它可以与计算机联机，所以它有着很多的便利之处。

本论文的重点是：

完成旋转式光电编码器四倍频检测电路的设计,通过相关仿真软件完成整个系统的仿真。

1.4本论文的结构

第一章：

引言，主要是对本课题总的概述，在此基础上介绍了编码器的现状。

第二章：

通过对编码器的分类介绍，引出了光电增量式旋转编码器以及编码器的倍频电路，并分别做了简要的介绍。

第三章：

主要是四倍频电路的设计，介绍了光电增量式旋转编码器的工作原理以及信号的输出，同时设计了四倍频的细分电路。

第四章：

在介绍了仿真软件的基础上，利用Multisim对电路进行仿真验证。

第五章：

总结与展望，对本课题进行小结。

2光电增量式旋转编码器

2.1编码器概述

编码器（encoder）是一种按照给定的代码产生信息表达形式的器件。

可以将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

图2-1编码器实物图

编码器能把角位移或直线位移转换成电信号。

编码器又称感应同步器、光栅尺，分为直线式和旋转式两类。

直线式由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；

旋转式由定子和转子组成，用于角位移测量。

1957年美国的R.W.特利普等在美国取得感应同步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。

在机械制造中，编码器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。

它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。

直线式编码器的定尺上的连续绕组的周期为2毫米。

滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的相同，但相互错开1/4周期（电相位差90°

）。

编码器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。

鉴相型是把两个相位差90°

、频率和幅值相同的交流电压U1和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。

如滑尺相对定尺移动，则U的相位相应变化，经放大后与U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。

在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位相同而幅值不同的交流电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。

由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子部分组成的系统称为感应同步器测量系统。

它的测长精确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1″/360°

。

2.2编码器的分类

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是"

1”还是“0”；

非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是"

1”还是"

0”，通过"

1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。

2.2.1光电编码器

光电编码器可以定义为：

一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。

典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。

光电编码器结构如图2-2所示。

b光电编码器实物组成示意图

a光电编码器原理示意图

发光元件

主轴

狭缝

图2-2光电编码器结构示意图

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，光栅结构如图2.3所示；

通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的脉冲信号。

图2-3光栅结构示意图

光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。

这是目前应用最多的传感器。

近年来，逐渐发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。

光电编码器工作原理如图2-4所示。

b光电编码器组成示意图

a光电编码器结构及工作原理示意图

图2-4光电编码器原理示意图

一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及混合式三大类。

按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。

由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。

因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。

旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用。

常用的是增量式、绝对式以及混合式编码器这种分类方法。

2.2.2增量式光电编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；

A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，

增量式编码器结构原理如图2-5所示。

图2-5增量式光电编码器结构示意图

码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；

检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。

增量式电编码器码盘光栅结构如图2-6所示。

图2-6增量式电编码器码盘光栅示意图

光栅上缝隙的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差电度角。

当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。

增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。

它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。

一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。

同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。

标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器的优点是：

原理构造简单、易于实现；

机械平均寿命长，可达到几万小时以上；

分辨率高；

抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。

其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

2.2.3绝对式编码器

旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。

在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。

为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，图2-7就是绝对式电编码器码盘实物图。

图2-7绝对式电编码器码盘实物示意图

当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。

显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。

绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

它的特点是：

可以直接读出角度坐标的绝对值；

没有累积误差；

电源切除后位置信息不会丢失。

但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

绝对式和增量式编码器码盘对比见图2-8。

绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。

编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。

这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。

这样，编码器的抗

干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

图2-8绝对式和增量式编码器码盘对比示意图

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。

绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。

从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器　旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。

如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。

编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

2.2.4混合式编码器

混合式绝对值编码器，它输出两组信息：

一组信息用于检测光栅位置，带有绝对信息功能；

另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

混合式光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。

它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

2.3光电增量式旋转编码器信号的输出

在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。

所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。

经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。

由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。

采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。

增量编码器给出两相方波，它们的相位差90°

（电气上），通常称为A通道和B通道。

其中一个通道给出与转速相关的信息，与此同时，通过两个通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息。

还有一个特殊信号称为Z或零通道，该通道给出编码器的绝对零位，此信号是一个方波与A通道方波的中心线重合。

光电增量式旋转编码器码盘如图2-9所示。

图2-9光电增量式旋转编码器码盘示意图

光电增量式旋转编码器信号输出有：

集电极开路输出（OpenCollector）、电压输出（VoltageOutput）、线驱动输出（LineDriver）、互补型输出（ComplementalOutput）和推挽式输出（TotemPole）。

集电极开路输出:

这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。

在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。

输主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。

电压输出:

这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。

在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。

主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。

线驱动输出:

这种输出方式将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。

主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。

互补型输出:

这种输出方式由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。

这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。

由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它适合长距离传输。

主要应用于电梯领域或专用领域。

推挽式输出:

这种输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。

电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。

因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。

主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械

信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。

对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意。

2.4光电增量式旋转编码器的倍频电路

光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR：

pulseperrevolution）。

码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。

在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500—6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。

增量式编码器的原始分辨率按物理刻线数算，如1024线、2500线等；

而绝对式编码器的分辨率按圈数算，2的N次方，折成线数一般在上万线。

随着数控机床在制造业中的普及，作为精密位置测量元件的编码器技术成为数控技术的重要组成部分,对编码器本身也提出了更高的要求，交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR的编码器。

此外对光电转换信号进行逻辑处理，采用倍频细分技术，得到2倍频或4倍频的脉冲信号，即光电编码器的四倍频电路，获得数控机床所需的更高的分辨率，从而进一步提高分辨率。

一般说来，方波最高只能做4倍频率，更高的分频要用增量脉冲信号是sin/cos类正余弦的信号来做，后续电路可通过读取波形相位的变化，用模数转换电路来细