【導(dǎo)讀】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，本文主要介紹光電編碼器在實(shí)際中的應(yīng)用，光電編碼器的結(jié)構(gòu)原理和實(shí)際應(yīng)用中的電路設(shè)計(jì)和電路實(shí)現(xiàn)。
光電編碼器原理
圖1：光電編碼器原理圖
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。
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海傭煞獎(jiǎng)愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉(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)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)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(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(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(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，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(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上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)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：
可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；
沒有累積誤差；
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。
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。
圖2：光電編碼器鑒相計(jì)數(shù)電路
光電編碼器的應(yīng)用電路
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)谘兄破囻{駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤旋轉(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路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(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2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。
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(shí)，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(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，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W3)；此時(shí)，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)。
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汽車方向盤順時(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，選用分辨率為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，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)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。
實(shí)際使用時(shí)，方向盤頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長一段時(shí)間后，方向盤回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤回中檢測(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(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。
光電編碼器在重力測(cè)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(cè)量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測(cè)量儀中補(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，碼盤比絕對(duì)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(duì)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），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤轉(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道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤的基準(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，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖比B道滯后π/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(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。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π/ 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)，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）。
圖3：增量光電編碼器基本波形和電路
圖4：四倍計(jì)數(shù)方式的波形和電路
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，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’、‘低’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，時(shí)鐘發(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)。
