数字电子技术课程设计正交解码电路的设计.docx
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数字电子技术课程设计正交解码电路的设计
设计题目：
正交解码电路的设计
组长：
班级学号同组成员：
说明：
百分比为每位同学对设计的贡献部分，总和应为100%
功能描述：
1、计数功能：
此电路可以对脉冲进行计数。
从而可以对编码器返回的变化的频率的脉冲进行计数，实现对速度和角度进行测量。
2、倍频功能：
对编码器返回的脉冲进行倍频，以提高编码器的精度。
3、方向鉴定：
编码器的返回是两路具有90°相位差的方波信号。
正转时，相位差为90°，而反转时相位差为-90°。
本电路可以识别编码器正转还是反转。
4、加减计数：
由于有识别电路，所以电路可以自动改变计数的方向。
设计背景：
编码器常用于测量电机转速和方向，它有两路信号返回，两者相差±90°相位差。
通过相位差的正负来判断电机的正反转。
通过在单位时间内对脉冲计数计算出电机的转速。
在某些单片机如STM32中，有专门用来处理编码器信号的接口，使用较为方便，但是在一些低端的单片机如51单片机中却没有专门用来处理的接口。
本电路的设计，目的在于通过外围电路对编码器的信号进行处理，减轻单片机的负荷，提高单片机的使用效率。
同时，本电路将编码器信号进行倍频处理，从而提高了编码器的精度。
编码器的返回波形如下图
正转
反转
预期效果
方案设计：
1.总体设计思路：
电路框图：
以下是电路仿真整体图：
下面进行电路的详解：
①模拟部分：
由于本电路主要是针对编码器的输出信号进行处理。
而仿真软件中没有现成的编码器信号。
所以我们先用模拟电路产生了具有90°相位差的方波信号。
如图。
在如上的电路图当中，由正弦波发生器产生的正弦波分成2路，一路经过积分电路，得到两路具有90°相位差的正弦波信号。
如图。
由于积分电路的放大倍数过大，得到了信号已经失真。
然后两路具有90°相位差的正弦波信号经过一个过零比较器得到两路具有90°相位差的方波信号。
如图。
到此我们模拟的编码器的输出信号就完成了。
②倍频电路：
倍频主要是提取脉冲的跳变沿，再将两路倍频的信号进行“异或”得到相对原来的单通道信号四倍频的信号。
如图。
左边的两片74LS74D触发器完成对信号的倍频。
框图如下：
下表D触发器的真值表：
74LS86D的引脚分布和真值表：
A为编码器的信号，CLK为频率比编码器高2倍以上的时钟信号。
当B和C相同时，D输出为低，当B和C不同时D输出为高。
因此，每次A发生跳变时D都产生一个脉冲。
脉冲的宽度等于CLK的宽度。
D的输出信号相对于A就倍频了。
仿真截图如下：
对另一路信号的处理是一样的，得到两路经过倍频的后的信号再经过“异或门”得到四倍频的信号。
仿真截图如下：
到此我们电路的倍频部分就完成了。
③方向识别电路：
该部分包括换向部分和辨向部分。
由于在一些应用当中，编码器需要测出转动的方向。
所以我们在电路当中加入了2个开关用于改变两路输出信号的相位差，从而模拟出电机正反转时编码器返回的信号变化。
如图。
在仿真中按下空格键用于切换开关的状态（2个开关必须同时切换）。
切换后，相位差由原来的90°变为-90°。
为了识别方向，我们使用了一个D触发器，输出的信号的高低代表了其方向。
电路截图如下：
A,B接到D触发器的D和CLK端。
当D上升沿时，如果B超前A90°，D输出为低。
如果B落后A90°，则输出为高。
这样，一个D触发器就完成了方向识别的功能。
最后将D触发器的输出端接到计数器的UP/DOWN控制端口上控制计数的方向。
⑤计数部分：
74LS190是模10的UP/DOWN计数器。
按图12连接两片74LS190可以实现模100的UP/DOWN计数器。
最后将信号输出端接到带BCD译码的数码管上，显示当前计数。
电路如图：
2.个人承担的工作：
程顺均的工作主要是负责方案的整体设计，任务的分配以及电路的设计。
樊斌负责模拟码盘信号源，以及倍频电路的设计和仿真。
戴豪礽，魏淼和郭强主要负责部分电路的仿真资料汇总以及报告的撰写。
总结：
该电路的设计满足了前面对功能的叙述，能对码盘信号进行处理，具有计数、倍频、辨别方向的功能，能将从码盘得到的相位相差90度的方波信号进行处理，得到具有方向的计数信息。
该电路可以用于智能车电机的码盘测速装置，使用该硬件电路对码盘信号进行处理，再将处理过的信号输入到控制芯片中则将大大减少单片机的负荷；同时，由于对码盘信号进行了倍频处理，因此测量精度也有所提高。
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