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<table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>光栅编码器接口电路及调试</b><br />张黎军 王 颖 何源来<br /><b> 摘 要 </b>介绍了光栅编码器实用的接口电路，其中包括远距离差分传输、光电耦合器隔离、方向辨别、脉冲四倍频等，并给出了一些实用的调试方法。<br /><b> 关键词：</b>光栅编码器 接口电路 调试<br /><b>The Interfacing circuit for Grating Encoder and Its Calibration</b><br /><b> Abstract </b>The practical interfacing circuit for grating encoder is introduced．It is composed of long distance differential transmission， photoelectric coupler isolation，direction recognition and pulse quadruplex， <br />etc．．Some practical calibrating methods are also given．<br /><b> Key words：</b>Grating encoder Interfacing circuit Calibration<br /><b>0 引言</b><br /> 光栅编码器具有测量精度高、抗干扰能力强的优点，被广泛应用于高精度的位移测量中。<br /> 常用的光栅编码器有圆光栅和尺型直光栅二种。其输出信号一般都为增量式脉冲串，即给出A、B二路相位互差90°的方波脉冲串，另外还在光栅上的一个特定点处给出一个代表零位脉冲信号Z，见图1。除特殊类型之外，A、B、Z三信号一般为标准的TTL电平。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/36a.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>图 1</b><br /> 为计量并显示位移的大小，可将A和B脉冲送入可逆计数器计数，正向运动时计数器作加计数，反向运动时则作减计数。为判断运动方向，可将A、B脉冲送入辨别电路中产生出方向信号。常用的可逆计数器电路分为二种：使用“加／减”控制信号的单时钟电路和不使用控制信号的双时钟电路。在设计接口电路时，应将光栅编码器的信号处理成能与你所选择的计数器相适应。<br /><b>1 远距离传输及光电隔离<br /></b> 有时计数显示装置离安装编码器的现场较远，长距离传输会造成信号衰减、跳变边沿陡度变差，并会引入干扰。较好的解决方法是在编码器的发送端一侧使用长线驱动器接口电路，在接收端一侧采用长线接收器接口电路。其传输距离可达公里级。一个采用Motorola公司的MC75110L线驱动器和MC75107L接收器的电路见图2。图中每个MC75110L和MC75107L均为双电路，故每个只用了一半。由编码器来的单端TTL电平信号V<SUB>1</SUB>，输入发送器后变成差分信号，用双绞线传送到接收器处，再转变为单端TTL电平信号V<SUB>2</SUB>。R<SUB>1</SUB>～R<SUB>4</SUB>为消除长传输线反射波的终端匹配电阻。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/36b.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>图 2</b><br /> 采用光电耦合器分别对A、B、Z三路信号进行隔离，也是抗干扰的一种方法。光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以构成电流环传输。这种低阻抗电路对噪声不敏感，抗干扰能力较强。光耦还可以对系统起到安全保护作用。它切断现场与接收端系统之间的地线回路，使二者能用独立的电源供电，消除二地间电位差带来的影响和危害，并可防止现场一侧在运行和检修时由于故障和错误造成的强电混入，使系统免遭致命的伤害。如果使用的编码器栅距很小（相当于每转对应的脉冲数很多），或带动编码器的机械运动较快，使编码器输出脉冲频率较高，因此隔离用的光耦常选用高速光耦。又由于有时要对A、B脉冲进行四倍频处理，应保证二路脉冲经过光耦后仍有互差90°的相位关系，这就对光耦的响应速度提出了更高的要求。一般不宜选用常用的4N25（尽管手册中给出的响应频率可达300kHz，但实测用于编码器要求四倍频时仅工作到约10kHz）等，可选用高速型如6 N137（单光耦）、TLP 113（单光耦，不要误用TIL113）、TLP 2601（单光耦）、TLP2630（双光耦）等。一般市售的成品光耦隔离接口板很少有高速型的（最高仅为10～30kHz），用户可以自制。图3给出了笔者设计的一种光耦隔离电路，用于编码器每转2000脉冲且有四倍频要求的场合，工作稳定可靠，实测其最高工作频率约为500kHz，这对于大多数的应用场合是足够的。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/37a.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>图 3</b><br /><b>2 关于脉冲倍频的讨论<br /></b> 对于一般的编码器，厂家给出的A、B双相互差90°的方波脉冲，是用4个光电元件相当于等间距安放在一个栅距的距离上产生出的信号，因此A、B双相脉冲的每个前沿和后沿实际上都对应着1／4栅距的位移信息。由此可知，厂家给出的脉冲当量的1／4才是该光栅尺可利用的最高精度，这可由用户通过并不复杂的四倍频电子细分法来完成。不经倍频而直接使用原始脉冲，用户将损失掉光栅尺潜在的四倍的精度。需指出的是，直接使用原始脉冲无疑是可靠的，而使用用户自制的倍频器则需选择可靠的电路及进行正确的调试。<br /> 有时当光栅尺的每脉冲对应的位移量无法与十进制计数器相适应时，也可用倍频的方法来解决。例如，一种常用的光栅尺每脉冲对应40μm，不便于十进制计数器计数并显示，经四倍频后变为每脉冲对应10μm，即可与十进制统一了。<br /> 有些刊物中常见有想超越四倍频再进一步提高分辨率的**，笔者认为这样做一般是困难的和不现实的。其原因有如下三个。第一，由于编码器提供给用户的A、B双相信号是方波信号，故无法使用对正弦波信号进行处理的电桥细分法和电阻链细分法。第二，虽然从原理上讲可以对方波脉冲用锁相环电路进行高倍数的倍频，但这种方案要求光栅头的运动必须是恒速的，否则锁相环电路是无法正常且稳定地工作的。这对于被测对象以不同的速度运动、及在终点附近进行多级降速以求精确定位等情况均是不适宜的。第三，那么能否在四倍频的基础上再用普通电路进行再次二倍频、四倍频……显然也不实用。这是因为第一次四倍频是在A、B均为方波且互差90°的条件下进行的，输出的四倍频脉冲是均匀的，但该脉冲已不是方波（即使在某一速度下将电路参数调整到使脉冲为方波，但速度一变就又不是方波了），再对其前后沿进行处理产生二倍频脉冲就不会是间隔均匀的了，即每一脉冲对应的位移量将不同!由此可见，若用四倍频电子细分法仍不能满足精度要求，则只能在机械传动上改进或选用更高分辨率的编码器。<br /><b>3 实用的方向辨别及四倍频电路<br /></b> 结合笔者的工作实践，下面介绍几种实用的辨向及四倍频电路。图4是常用的辨向电路。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/37b.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>图 4</b><br /> 图4中R<SUB>1</SUB>、C<SUB>1</SUB>将A相脉冲的前沿微分，微分尖脉冲同时加到IC<SUB>1－2</SUB>和IC<SUB>1－3</SUB>，而它们分别由B和<img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/38e.gif">来选通。当B超前A时，CP＋输出脉冲，而当A超前B时，则由CP－输出脉冲。该电路可在不需要倍频细分时使用，适用于双时钟计数器。若对上述电路稍加改动，则可适用于单时钟和“加／减”控制信号的计数器，见图5。B相超前A相时，＋／－信号为“1”，A相超前B相时，＋／－信号为“0”。当采用四倍频细分电路时，可将图5电路中的门IC<SUB>1－4</SUB>省去，即可与下述图6或图8的四倍频电路配合使用。这时对于单时钟计数器，四倍频脉冲就是CP；而对于双时钟电路，则需再增加二只双输入端与非门，用＋／－和－／＋端分别选通四倍频脉冲，即可产生出二路对应不同方向的计数脉冲。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/37c.gif"> <img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/37d.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b> 图 5 图 6</b><br /> 图6电路十分简单，其各点波形见图7。A、B二相信号经异或门G<SUB>1</SUB>后输出V<SUB>1</SUB>即为二倍频方波，V<SUB>1</SUB>一路直送下一级异或门G<SUB>2</SUB>，另一路经RC积分电路延迟后变为V<SUB>2</SUB>，再经异或后即为四倍频的V<SUB>3</SUB>。该电路虽简单，但也存在不甚完美之处，即G<SUB>2</SUB>门的翻转是由C上电压充电（或放电）到门的转移电平处开始的，而实际产品的转移电压离散范围在40％～60％电源电压内，这将造成延迟时间不一致，在调试电路时应注意。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/38a.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br />图 7<br /> 图8电路是图6的改进型。异或门输出即为A、B二相信号的二倍频方波。用单稳电路IC<SUB>2－1</SUB>检出二倍频方波的前沿，IC<SUB>2－2</SUB>检出后其后沿，二者在IC<SUB>3－1</SUB>逻辑“或”后即可得到四倍频脉冲串。为保证电路工作稳定可靠，二个单稳电路使用了集成化单稳CD4538，这是一种结合了线性工艺技术的CMOS精密双单稳触发器，具有良好的稳定性及精度。</td></TR></table><br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/38b.gif"><table class=ubb cellspacing=0><TR><td class=ubb><br /><b>图 8</b><br /><b>4 电路调试<br /></b> 辨向及四倍频电路的调试，主要是对作为边沿检测用的微分电路或单稳电路的时间常数进行整定。整定之前应先计算一下脉冲的最高频率（包括四倍频在内），然后将时间常数整定为该最高频率下脉冲周期的一半，这样脉冲有足够的宽度和间隔，会将温漂及电源波动引起的因脉冲宽度变化造成的丢脉冲或脉冲“粘连”在一起的现象减到最小程度。脉冲的最高频率可以用如下方法估算。对于直光栅传感器，一般给出光栅常数<i>W</i>（μm）（或称栅距），即输出的A相（或B相）每一脉冲对应的位移量，再根据机械传动机构估算出被测对象的最高运动速度<i>V</i><SUB>max</SUB>（mm／s），则四倍频后的输出脉冲最高频率为<br /><i>f</i><SUB>max</SUB>＝4<i>V</i><SUB>max</SUB>／<i>W</i>（kHz）<br /> 对于圆光栅，一般给出圆盘上的刻线数N，根据传动机构估算出最高转速<i>n</i><SUB>max</SUB>（r／min），则四倍频后的输出脉冲最高频率为<br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/38d.gif"><br /> 在调试电路时，应使用示波器监视脉冲波形，将时间常数整定在适当的数值上。为调试方便且使示波器上的波形能较长时间稳定地同步，最好能使用专用的互差90°的双相方波发生器来代替编码器的信号。这里给出笔者自制的这种简易信号发生器电路图（见图9）。<br /><img src="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/zdhyb/zdhy99/zdhy9901/image/38c.gif"><br /><b>图 9</b><br /> 图9中的振荡器采用石英晶体稳频，IC<SUB>2</SUB>是可分档调节的二进制分频器，IC<SUB>3－1</SUB>、IC<SUB>3－2</SUB>分别检出脉冲的前沿和后沿，以产生90°相位差的二路脉冲，IC<SUB>4－1</SUB>、IC<SUB>4－2</SUB>为二分频，将二路脉冲整形为方波。IC<SUB>5</SUB>采用了有较强驱动能力的三态总线驱动器。本电路的最高输出频率为8192Hz。当需要更高的频率时，可换用高频率的晶体，并注意IC<SUB>3－1</SUB>、IC<SUB>3－2</SUB>二个单稳的定时RC应相应减小。<br />作者介绍：张黎军，南，47岁，1976年毕业于北京钢铁学院.现在北京科技大学机械工程学院任教,工程师。<br />作者单位：张黎军 王 颖，北京科技大学<br /> 何源来，上海浦东钢铁（集团）公司<br /><b>参考文献</b><br /> ［1］严钟豪，谭祖根．非电量电测技术．北京：机械工业出版社，1983：284～292<br /> ［2］中国集成电路大全．接口集成电路．北京：国防工业出版社，1986<br /> ［3］TOSHIBA Semiconductor General Catalog，1992．<br /> ［4］MOTOROLA Inc． Optoelectronics Device Data， 1986<br />收稿日期：1997－05－01，<br />修改稿收到日期：1998－05－19。</td></TR></table>
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