光電編碼器原理及應(yīng)用電路

1、光電編碼器原理及應(yīng)用電路1 .光電編碼器原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳 感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。 光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開 通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤 與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極 管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼 器輸出脈沖的個數(shù)就能反映 當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90度的 脈沖信號。先源透健科藉通舞表的元件甚大至，-cXHVC,ho- 3 一轉(zhuǎn)磯L

2、 -Tuui圖I光電編碼器原溟示意圖圖1光電編碼器原理示意圖根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為 增量式、絕對式以及混合式三種。1.1 增量式編碼器增 量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90度的脈沖信號，Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。1.2 絕對式編碼器絕 對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇

3、形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有 16位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀

4、出碼盤上的編碼，檢 測絕對位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：1.2.1 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；1.2.2 沒有累積誤差；1.2.3 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)， 目前有10位、14位等多種。1.3 混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電 脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用

5、于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。2.光電編碼器的應(yīng)用電路2.1 EPC 755A光電編碼器的應(yīng)用EPC-755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可 靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器時，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用EPC-755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360個脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)， 需要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的

6、鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成，計(jì)數(shù)電路用 3片74LS193組成。OW-LOVTYoin-t&35破第gm roplr2隱cubclwkDi膛D3T4LS193順時針旋轉(zhuǎn)OVT-KOVT"S 町能FO Fl P2P3 CU CD CL rtKDOBJ02口 3D4D5 36 口 7TClf >TV®，逆時轉(zhuǎn)哪74LS193DSmBltnmDlr2J3TcumPO的花E>3cllCDCLfflRwcc*r74LS193out-a ovt-bV!*2V3當(dāng) 光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形超前通道 B輸出波形90°

7、; ,D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過（波形W3）,送至雙向計(jì)數(shù)器 74LS193的加脈沖輸入端CU,進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當(dāng)光電編碼 器逆時針旋轉(zhuǎn)時，通道 A輸出波形比通道 B輸出波形延遲90 °,D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波 形W2）為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）;此時，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過（波形W4）,送至雙向計(jì)數(shù)器 74LS193的減脈沖輸入端 CD,進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。汽車方向 盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分到?率

8、為360個脈沖/圈的編碼器， 其最大輸出脈沖數(shù)為900個；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用 3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時，先對其 進(jìn)行復(fù)位（CLR信號），再將其初值設(shè)為800H ,即2048（LD信號）；如此，當(dāng)方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為 20482948 ,當(dāng)方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20481148 ;計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0D11送至數(shù)據(jù)處理電路。實(shí)際使用時，方向盤頻繁地進(jìn)行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向盤 回中時計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048 ,而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個方向盤回中檢測電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)

9、據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048 ,可對計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。2.2 光電編碼器在重力測量儀中的應(yīng)用采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測量儀中補(bǔ)償旋鈕的角位移量 轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。 它的碼盤的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩

10、道扇區(qū)相互錯開半個區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動 時，它的輸出 信號是相位差為90 °的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈 沖信號（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位信號）。從A, B兩個輸出信號的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3 （a）可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道超前無/2 , 而反轉(zhuǎn)時，A道脈沖比B道滯后無/2。圖3 （b）是一實(shí)際電路，用 A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的 正脈沖與B道整形波相'與'，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時只有正向口脈沖輸出，反 之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增 量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來確定碼盤的

11、轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個（碼道）輸出信號，其相 位差為/ N ,可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是有時會產(chǎn) 生誤記脈沖造成誤差，這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號處于 高或'低電平狀態(tài)，而另 一道信號正處于高和' 低之間的往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動或手動對準(zhǔn)位置時(下面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況)逆方向*i : 一正方向通道LTLTT_rcrLj-LrLr_L_rL_rL_rLrL_TL_rLr正向膿沖nnnnfinrmninr送河脈沖TwminnnnnVee睡道74IS141

12、COO?F C4Gk I(b)困3增置光電爆碼器基本波地和電路逆方向;事正方向i_rL_rLrL_n_rLnijI正向林沖逆向歌沖Wnnnnnnnnnnn 廠Tminnnnnnnnn瑁4四倍計(jì)數(shù)方式的渡彩和電路圖4是一個既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時鐘發(fā)生電路。由圖 4可見，每一道有兩個 D觸發(fā)器串接， 這樣，在時鐘脈沖的間隔中，兩個 Q端 （如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個時鐘期的輸入狀態(tài)，若兩者相同，則表示時鐘間隔中無變化；否 則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方向，從而產(chǎn)生正向或反向輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動在高、

13、'低'間往復(fù)變化時，將交替產(chǎn)生正向和'反 向'脈沖，這在對兩個計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時就可消除它 們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見，時鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動頻率的可能最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個計(jì)數(shù)脈沖。例如，原每圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個，其分辨率為 0.09。實(shí)際上，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一個角位 移測量系統(tǒng)（74159是4-16譯碼器）。其他資料：編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對

14、型編碼器。工作原理:由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向, 疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個 Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較 A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位 脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比

15、玻璃的差一個數(shù) 量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率一編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一 般在每車專分度510000線。信號輸出：信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN ）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱 A,A-;B,B-;Z,Z- ） ,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口 應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接一編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相

16、聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-, B、B-, Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。增量式編碼器的問題：增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶， 開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。測速，測轉(zhuǎn)動方向，測移動角度、距離 （相對）。絕對