通過基于光電編碼器的數(shù)字電路實現(xiàn)直線位移高精度測量

1、 通過基于光電編碼器的數(shù)字電路實現(xiàn)直線位移高精度測量的一種方法王鋒山東電力建設第二工程公司電儀工程處摘要: 本文主要介紹了用光電編碼器實現(xiàn)大直線位移高精度測量的一種方法。主要是通過數(shù)字電路實現(xiàn)。數(shù)字電路首先對光電編碼器輸出信號進行辨向，通過符號及加減控制電路實現(xiàn)對計數(shù)器的控制，倍頻電路對光電編碼器的輸出信號進行倍頻，起到提高測量的精度和消除信號抖動作用，倍頻后的的信號輸入計數(shù)器計數(shù)，并通過LED顯示器顯示測量結(jié)果。關鍵詞：直線位移，光電編碼器，數(shù)字電路1、光電編碼器在位移測量中的應用原理 光電編碼器是一種高精度的角位移傳感器。因其具有直接輸出數(shù)字量、響應快、精度高、抗干擾能力強、分辨率高、輸出

2、穩(wěn)定等特點。用光電編碼器測量直線位移時，需用傳動機構將直線位移轉(zhuǎn)換為光電編碼器的轉(zhuǎn)動角度。設當被測物體上升時，光電編碼器正轉(zhuǎn)，此時A相超前B相14個周期；當被測物體下降時，光電編碼器反轉(zhuǎn)，A相落后B相14個周期，如圖1所示.圖1 光電編碼器輸出波形 若被測物體停在某一位置時，位移為零。以此為基準，被測物體上升時，位移增加；下降時，位移減小。當位移減少到零而被測物體再繼續(xù)下降時，位移變?yōu)樨撉覕?shù)值增加；當被測物體再上升時，位移減小但仍為負.當位移減到零后,，位移變?yōu)檎?可見位移測量不僅要知道位移的大小，還要知道位移的正負。因此，利用光電編碼器測直線位移時，符號判別及加減運算判別是關鍵。 在使用光電

3、編碼器時,符號的判斷和加減運算的判別,既可以通過數(shù)字電路來實現(xiàn),也可以通過當今流行的單片機來實現(xiàn).這里介紹了通過數(shù)字電路實現(xiàn)增量式編碼器測位移的方法.2、數(shù)字電路的原理 數(shù)字電路主要包括以下幾部分：編碼器輸出的相位相差90的信號經(jīng)過細分倍頻電路一方面可以提高測量的精度，如果編碼器一圈輸出N個脈沖，其分辨率360/N，經(jīng)過四倍頻細分后即可達到360/4N。另一方面可起到消除信號抖動的作用。 細分后信號一路形成計數(shù)信號接入計數(shù)器，另一信號警方向判別控制電路，形成方向和加減信號，接入計數(shù)器，計數(shù)結(jié)果及正負經(jīng)驅(qū)動電路由LED顯示。過程如圖2。 計數(shù)脈沖形成編碼器細分倍頻方向判別與加減控制計數(shù)、顯示 圖

4、2 數(shù)字電路原理圖3、倍頻細分電路的設計 光電編碼器的輸出波形如圖3 圖3 光電編碼器的輸出波形 由圖3可知，將A、B兩相信號進行異或操作，則AB信號是A、B兩相信號的二倍頻。如果通過各計數(shù)器對AB信號的上升沿、下降沿分別進行計數(shù)，計數(shù)值代表了碼盤轉(zhuǎn)過的角度，則此時計數(shù)角度的脈沖當量P=360/4N，這就實現(xiàn)了倍頻，使光電編碼器的分頻提高了四倍。 圖4 倍頻細分電路 如圖4 74F86異或門輸出既為A、B二信號的二倍頻方波。用單穩(wěn)電路單穩(wěn)CD4538（上）檢出二倍頻方波前沿，單穩(wěn)CD4538（下）檢出其后沿，二者在74F32邏輯“或”后即可得到四倍頻脈沖串。為了保證電路工作穩(wěn)定可靠，二個單穩(wěn)電

5、路使用了集成化單穩(wěn)CD4538。倍頻后還可以消除抖動干擾。 圖 5 CD4538單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 4、辨向電路的設計在實際工作中，被測物體移動的方向不是固定的。而方向是位移的要素之一。因此，為了判別移動的方向，必須利用編碼器輸出的兩路相為差為90度的輸出信號。(1) 正反轉(zhuǎn)辨別電路根據(jù)光電編碼器正反轉(zhuǎn)時, A相與B相的相位差關系，將A相與B相分別接到D觸發(fā)器D端與CLK端，如下圖6。正反轉(zhuǎn)檢測電路所示,不難看出正轉(zhuǎn)時,Q=1:反轉(zhuǎn)時，Q=0。即當被測物體上升時，Q=1,=0。下降時，Q=0，=1使用了7474觸發(fā)器 圖 6正反專檢測電路 （2） 符號判斷及加減計數(shù)控制電路 增量式編碼器以物體起始運

6、動點為零點，在零點兩方分別為正負。此處假設物體是上下移動的，向上為正，向下為負。物體運動時，我們不僅要計數(shù)位置的絕對值，還要知道它的正負區(qū)間。符號判斷及加減計數(shù)電路如圖7。圖7 符號判斷及加減計數(shù)控制電路原理圖圖8 符號判斷及加減計數(shù)控制電路實際連接圖圖7中Q和兩信號來自D觸發(fā)器。Xo為計數(shù)器所有輸出端邏輯“或”后的信號。Fh為輸出正負信號。Gk為加減控制信號設當位移為零時，Xo=1 ，當位移不為零,Xo=0. 與非門YF1-YF4組成符號控制。當Fh=1時，符號顯示為正；Fh=0時，符號顯示為負。位移為零時，Xo=1，F(xiàn)h=YF2= =Q。當位移不為零時，Xo=1，則 Fh與/Fh狀態(tài)保持不

7、變。與非門YF5-YF10組成加減計數(shù)控制電路。GK=YF8=QFh+，在位移為正的區(qū)間，被測物體上升時，Gk=1，做加法運算，下降時，Gk=0，做減法運算。在位移為負的區(qū)間，被測物體上升時,Gk=0,做減法運算,下降時,Gk=1,做加法運算.GK,/Gk 控制可逆計數(shù)器加減，可實現(xiàn)位移的加減運算。電路中的與非門使用了集成芯片7400。它含有四個與非門，所以使用了三個集成芯片。具體連接電路如圖8。圖中已將正負信號Fh和/Fh連接LED數(shù)碼管。數(shù)碼管用7407驅(qū)動。當信號為正即Fh=1時，顯示0；當信號為負即Fh=0時，顯示-。5、計數(shù)及顯示電路的設計光電編碼器的輸出信號分別經(jīng)過倍頻電路和符號、

8、加減控制電路后，最后進入計數(shù)器，并由顯示器顯示計數(shù)結(jié)果。這也是測量電路的最后一步。（1）計數(shù)電路 由于測量位移中既有加又有減，所以計數(shù)器應選擇可逆計數(shù)器。同時出于對性能和接線上的考慮，此處選用了同步可逆計數(shù)器74LS190。它是單時鐘十進制計數(shù)器。 圖9 同步十進制加/減計數(shù)器74LS190 A、B、C、D為輸入端，工作時都接地。Qa、Qb、Qc、Qd為輸出端，接數(shù)碼器譯碼器。CLK為計數(shù)脈沖輸入端，此處接倍頻電路輸出四倍頻信號。 D/U加減控制端，高電平時減，低電平十加。此處接加減控制/Gk。 LOAD為置數(shù)端，正常工作時為高電平。當為低電平時將A,B,C,D置入計數(shù)器。此處將其設為計數(shù)器清

9、零開關。CTEN 端正常工作時為低電平。MAX/MIN為進位/借位端。當進位/借位時產(chǎn)生高電平。RCO端功能于MAX/MIN相似，只是當進位/借位時產(chǎn)生低電平。計數(shù)器連接一個計數(shù)器不能滿足計數(shù)的要求，此處為了達到位移量要求，需要六個計數(shù)器連接，可達到一百萬的計數(shù)容量。連接方式有并行連接和串行連接。并行連接各計數(shù)器工作時同步的，而串行連接計數(shù)器工作不是同步的。此處我們選擇了串行連接。 圖10 兩片計數(shù)器串接方式圖10僅是兩片計數(shù)器連接圖，更多計數(shù)器連接同理。圖中Gk為加減控制端。Cp為計數(shù)脈沖。清0端平時高電平，當位低電平時，計數(shù)器置入零。當?shù)谝黄嫈?shù)器加到.9或見到0時，MAX/MIN端產(chǎn)生高

10、電平，使第二CLK計入脈沖加1或減1。（2）顯示電路 顯示器采用LED七端字符數(shù)碼管，我們選用了共陰極的BS201。它在數(shù)碼管右下角增設了一個小數(shù)點，形成了所謂的八段數(shù)碼管 外形圖 等效電路BS201數(shù)碼管譯碼器選用了7447七段顯示譯碼器。 圖11 7447顯示譯碼器為等測試端。只要它為低電平，被驅(qū)動的數(shù)碼管七段同時點亮，以檢查各段是否正常。平時應置為高電平。為滅零端?？蓪⒍嘤嗟牧阆?。/為滅燈輸入/滅零輸出。 用7447可以直接驅(qū)動共陰極的半導體數(shù)碼管。圖12給出了用7447驅(qū)動BS201l半導體數(shù)碼管的連接方法。 圖12 用7447驅(qū)動BS201的連接方法 將滅零輸入端與滅零輸出端配合使用，即可實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示系統(tǒng)的滅零控制。圖示出了滅零控制的連接方法。只需在整數(shù)部分把高位的與低位的相連，在小數(shù)部分將低位的面與高位的相連，就可以把前、后多余的零熄滅了。在這種連接方式下，整數(shù)部分只有高位是零，而且被熄滅的情況下，低位才有滅零輸入信號。同理，小數(shù)部分只有在低位是零，而且被熄滅時，高位才有滅零輸入信號。 圖12 有滅零控制的8位數(shù)碼顯示系統(tǒng)結(jié)束語 至此，數(shù)字電路的各部分設計已經(jīng)完成。各部分的原理和電路圖已在各節(jié)介紹。整個數(shù)字電路的總成電路圖見附錄1。6、參考書籍1、 童詩白.模擬電子技術基礎，高等教育出版