徐榕龍　江雄

摘 要：光電碼盤在轉(zhuǎn)角測量機構(gòu)中應(yīng)用廣泛，但成本較低的光電碼盤的測量精度在某些應(yīng)用領(lǐng)域中不能滿足要求，設(shè)計電路提高基于光電碼盤測角機構(gòu)的測量精度能夠解決這類問題，而且成本低、體積小。本文簡要介紹了光電碼盤的工作原理，為提高光電碼盤轉(zhuǎn)角測量精度，對碼盤輸出信號進行四倍頻分析，設(shè)計了脈沖四倍頻電路模塊和雙向計數(shù)電路模塊，仿真驗證了電路的可行性。

關(guān)鍵詞：光電碼盤 倍頻 雙向計數(shù)

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0114-02

1 光電碼盤簡介

光電碼盤是一種通過光電轉(zhuǎn)換將角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的光電傳感器，是一種集光、機、電一體的數(shù)字測角裝置。它的核心部分是高精度的計量光柵，由光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分。它依靠計量光柵作為檢測工具，由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，通過電子檢測裝置檢測輸出脈沖信號，把位移或者角度信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬或者數(shù)字信號，其原理圖如圖1所示。光電碼盤每旋轉(zhuǎn)1密位則輸出一個周期脈沖，通過計算每次轉(zhuǎn)動輸出脈沖個數(shù)即可計算出轉(zhuǎn)過的角度密位值，為辨別旋轉(zhuǎn)方向，碼盤提供相位相差90°的兩相脈沖。

光電碼盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、分辨率高，因此在雷達、指揮儀、經(jīng)緯儀、自動測量、遙感等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展，光電碼盤已經(jīng)成為一種高精度角度傳感器。但在實際應(yīng)用中，不同價格的光電碼盤對轉(zhuǎn)角的測量精度有所差別，精度高的碼盤一般價格較貴，不適用于需要控制成本的轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)，而對于便宜的光電碼盤，直接利用碼盤輸出的脈沖進行計數(shù)所得到的結(jié)果不能滿足所要求的精度。

本文通過分析碼盤輸出信號四倍頻方案，設(shè)計碼盤輸出脈沖四倍頻電路，并實驗驗證了該電路的倍頻結(jié)果，將其應(yīng)用于輸出精度為1密位的碼盤，可將測角顯示精度提高到0.25密位。與直接使用高精度碼盤相比，此設(shè)計成本低，能滿足一般光電碼盤的需求。

2 輸出脈沖四倍頻分析

碼盤每轉(zhuǎn)動1密位就輸出1個周期脈沖，直接對碼盤輸出脈沖進行計數(shù)只能精確到1密位，而設(shè)計所需的精度至少應(yīng)達到0.25密位，故直接對碼盤輸出脈沖進行計數(shù)不能滿足精度要求，可通過對碼盤輸出的脈沖進行四倍頻達到提高測量精度的目的。如圖2是對脈沖進行四倍頻分析波形圖。每一個周期包含兩個邊沿信號，A、B兩路輸出信號相位相差恰為90°，若利用A、B兩路信號的邊沿信號共同計數(shù)，則在一個周期內(nèi)恰能計數(shù)4次，即每輸出一個脈沖代表光電碼盤轉(zhuǎn)動了0.25密位，可通過微分電路將邊沿信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號，再通過門電路輸出滿足計數(shù)要求的脈沖，以達到提高測量精度的目的。

為了能辨別碼盤轉(zhuǎn)動的方向，計數(shù)電路對四倍頻電路輸出的信號有著特殊的要求，當正向計數(shù)時，正向信號為脈沖信號，反向信號為高電平信號，而當反向計數(shù)時，正向信號為高電平信號，反向信號為脈沖信號。所以，四倍頻電路最終輸出的信號如圖2的最后兩路信號所示。

3 電路設(shè)計

本文所有電路圖用Altium Designer 09[1]設(shè)計完成。

3.1 四倍頻電路設(shè)計

脈沖四倍頻模塊硬件設(shè)計采用了四組微分電路[2]與兩片74LS08芯片結(jié)合，實現(xiàn)對碼盤輸出信號四倍頻。AA端和BB端分別連接碼盤的A相和B相輸出信號，兩塊74LS08芯片的輸出端分別代表四倍頻電路的正向和反向脈沖輸出。

首先將碼盤輸出的A相和B相脈沖經(jīng)非門反向得到脈沖A、、B和脈沖，通過合適的微分電路將所有上升沿轉(zhuǎn)換為正的窄脈沖，經(jīng)過與門電路得到在一個碼盤輸出脈沖的周期內(nèi)具有4個由上升沿轉(zhuǎn)換出來的正向窄脈沖，輸出脈沖的周期縮短了4倍，從而能實現(xiàn)對輸出脈沖的四倍頻。由于雙向計數(shù)電路要求輸入的兩個方向脈沖是窄低電平脈沖和高電平組合，故還需將脈沖進行邏輯非，通過一個四輸入與非門即可實現(xiàn)。

3.2 雙向循環(huán)計數(shù)電路

由于光電碼盤每轉(zhuǎn)動一密位輸出一個周期脈沖，故碼盤轉(zhuǎn)動一周輸出6000個脈沖，經(jīng)四倍頻后為24000個脈沖，此時碼盤轉(zhuǎn)動一周，計數(shù)電路需計數(shù)24000次，而24000轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)為0101 1101 1100 0000，采用二進制計數(shù)方式需要至少15位，本設(shè)計采用4片74ls19芯片完全能滿足要求。計數(shù)電路各芯片的輸出端QA、QB、QC、QD連接STC89C52單片機[3]的P0口和P2口，再連接至數(shù)碼管以顯示輸出結(jié)果。

3.2.1 級聯(lián)計數(shù)

74LS193為二進制可加可減計數(shù)器，輸出位數(shù)為4位，將4片這樣的芯片經(jīng)級聯(lián)可滿足所需要求。芯片的UP引腳為正向脈沖輸入引腳，與四倍頻電路正向脈沖輸入端相連，DWN引腳為反向脈沖輸入引腳，與4倍頻電路反向脈沖輸入端相連；BRW和CO引腳分別是借位引腳和進位引腳，分別與下一級芯片的DWN和CO引腳相連，4片74LS193芯片照此法級聯(lián)形成雙向計數(shù)電路。該電路加減計數(shù)原理相似，以加計數(shù)為例，正向計數(shù)輸出脈沖輸入到最低級芯片的加計數(shù)端，當最低級芯片計數(shù)值超過1111時，其進位輸出端輸出一個低電平脈沖，作為下一級芯片的加計數(shù)端輸入信號，下一級芯片計數(shù)溢出后再向下一級芯片進位，如此實現(xiàn)4塊芯片級聯(lián)計數(shù)。

3.2.2 清零與置數(shù)

當正向計數(shù)到24000時，4塊計數(shù)芯片輸出0101 1101 1100 0000，此時C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6輸出同時為1時，若碼盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，應(yīng)從0開始循環(huán)計數(shù)，這一過程是通過清零電路實現(xiàn)的。其原理是C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6輸出同時為1時，三三輸入與門74LS11的輸出端輸出高電平，為了達到單片機復(fù)位時計數(shù)電路也清零的目的，從復(fù)位電路的開關(guān)近地端引出信號與74LS11的輸出端信號通過或門與計數(shù)電路清零端CLR引腳連接，一起控制計數(shù)電路清零，從而實現(xiàn)循環(huán)正向計數(shù)和復(fù)位即清零。

當反向計數(shù)到零時，4塊芯片輸出均為零，繼續(xù)反向計數(shù)，最高位芯片的借位端BRW引腳將輸出一個低電平，并且只有這個時刻該引腳才輸出低電平，而芯片的置位端LD引腳低電平有效，4塊芯片的A、B、C、D引腳連接不同的電平表示不同的置位數(shù)值，其二進制數(shù)原理與輸出端引腳相同，所以，將最高位芯片的借位端BRW引腳與置位端LD引腳連接，當反向計數(shù)到零時，從24000開始循環(huán)計數(shù)。

4 仿真及分析

按照上面所述電路原理設(shè)計四倍頻雙向計數(shù)電路圖，用虛擬信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生碼盤的兩相輸出信號，用虛擬示波器測量ZZ端和FZ端的輸出信號，啟動仿真，示波器測量得到的輸出信號的頻率是碼盤輸出信號的4倍，數(shù)碼管顯示每隔0.25增加或減小。證明設(shè)計的電路符合要求，能夠應(yīng)用于碼盤計數(shù)電路。

參考文獻

[1] 雍楊，陳曉鴿.Altium Designer 09電路設(shè)計標準教程[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2] 華成英，童詩白.模擬電子計數(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.endprint