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(guò)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(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)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(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90度的脈沖信號(hào)。先源透健科藉通舞表的元件甚大至，-cXHVC,ho-3一轉(zhuǎn)磯L-Tuui圖I光電編碼器

2、原溟示意圖圖1光電編碼器原理示意圖根據(jù)檢測(cè)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(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)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(hào)，Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。1.2 絕對(duì)式編碼器絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目

3、是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，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(hào)，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(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)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(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線(xiàn)條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼

4、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(duì)值；1.2.2 沒(méi)有累積誤差；1.2.3 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)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(duì)值編碼器混合式絕對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)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(cè)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)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷

5、達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)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(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)谘兄破?chē)駕駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)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(kāi)路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和

6、2個(gè)與非門(mén)組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。OW-LOVTYoin-t&35破第gmroplr2隱cubclwkDi膛D3T4LS193順時(shí)針旋轉(zhuǎn)OVT-KOVT"S町能FOFlP2P3CUCDCLrtKDOBJ02口3D4D536口7TClf>TV®，逆時(shí)轉(zhuǎn)哪74LS193DSmBltnmDlr2J3TcumPO的花E>3cllCDCLfflRwcc*r74LS193out-aovt-bV!*2V3當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°,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(mén)打開(kāi)

7、，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（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(shí)，下面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）;此時(shí)，下面與非門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（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(chē)方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分到?率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成

8、，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位（CLR信號(hào)），再將其初值設(shè)為800H,即2048（LD信號(hào)）；如此，當(dāng)方向盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20482948,當(dāng)方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，方向盤(pán)頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長(zhǎng)一段時(shí)間后，方向盤(pán)回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048,而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問(wèn)題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤(pán)回中檢測(cè)電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)回中檢測(cè)電路，若方向盤(pán)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

9、對(duì)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(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，絕對(duì)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(pán)比絕對(duì)編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)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(duì)編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。它的碼盤(pán)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），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼

10、道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從A,B兩個(gè)輸出信號(hào)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(jiàn)，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前無(wú)/2,而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖比B道滯后無(wú)/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(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)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(lái)確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈

11、沖造成誤差，這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于高或'低電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于高和'低之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤(pán)雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)(下面可以看到，在重力儀測(cè)量時(shí)就會(huì)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74IS141COO?FC4GkI(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Tminnnn

12、nnnnn瑁4四倍計(jì)數(shù)方式的渡彩和電路圖4是一個(gè)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(shí)鐘發(fā)生電路。由圖4可見(jiàn)，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對(duì)應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)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(dòng)在'高'、彳氐'間往復(fù)變化時(shí)，將交替產(chǎn)生正向和'反向'脈沖，這在對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)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(jiàn)，時(shí)鐘

13、發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能最大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)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(gè)，其分辨率為0.09。實(shí)際上，目前這類(lèi)傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感檢測(cè)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(gè)角位移測(cè)量系統(tǒng)（74159是4-16譯碼器）。其他資料：編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分，有增量型編碼器，絕對(duì)型編碼器。工作原理:由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線(xiàn)，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為

14、360度），將C、D信號(hào)反向,疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)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(guò)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(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn)，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線(xiàn)，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤(pán)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(xiàn)稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線(xiàn)，一般在每車(chē)專(zhuān)

15、分度5-10000線(xiàn)。信號(hào)輸出：信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL）,集電極開(kāi)路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱(chēng)A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱(chēng)推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。信號(hào)連接一編碼器的脈沖信號(hào)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(kāi)關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A、A-,B、B-,Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。增量式編碼器的問(wèn)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(kāi)機(jī)應(yīng)找零或參考位等問(wèn)題，這些問(wèn)題如選用絕對(duì)型編碼器可以解決。測(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離（相對(duì)）。絕對(duì)型