光电编码器辨向电路

光电编码器

速度位置的数据在电机控制中起着非常重要的作用，其检测到的精确性能够直接影响电机控制的精度。速度的测量方法有多种，如感应式转速传感器、测速发电机、光电式转速传感器、霍尔转速传感器以及旋转变压器式转速传感器等。但目前调速系统速度以及位置反馈控制中应用较多的为光电编码器。

光电编码器是一种高精度的数字化检测仪器，是现代伺服系统广泛应用的角位移或者角速度的测量装置，它可以通过光电原理，将一个机械装置的角度或者位移量转化为电信号（数据串或者脉冲信号）。光电编码器可分为绝对式和增量式两种，其中，绝对式光电编码器具有输出信号与旋转信号对应的特点，但是精度欠缺，成本高；增量式光电编码器输出信号为脉冲信号，脉冲个数和相对旋转位移相关，与旋转的绝对位置无关，成本相对于绝对式更低，并且精度高、体积小、响应快、性能稳定等特点。如果预先设置一个基准位置，则可以利用增量式编码器完成绝对式编码器的功能，即也可以测出旋转的绝对位置。

实现绝对式编码器的功能，也即可以测出旋转的绝对位置。增量式光电编码器在高分辨率、大量程角速率、位移的测量中，它更具有优势。因而，在这个手指康复机器人系统中采用增量式光电编码器。

增量式光电编码器主要是由机械系统、数据扫描系统和电气系统三个部分组成。其中机械系统主要负责外壳和转动的支撑作用。电气系统的作用主要是保护、放大、抗干扰以及数据传输等等。

增量式光电脉冲编码器由光源、聚光镜、挡光板、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。

在光电码盘上刻度盘上均匀分布一定数量的光栅，光挡板（检测光栅）上刻有A、B相两组与光电码盘上光栅相对应的透光缝隙。增量式光电脉冲编码器工作时，光电码盘随着工作轴旋转，但是光挡板（检测光栅）保持不动。有光同时透过光电码盘和检测光栅时，电路中产生逻辑“1”信号，没有透光时产生逻辑“0”信号，从而产生了A、B两相的脉冲信号。由于检测光栅上的A、B相两个透光缝隙的节距与光电码盘上光栅的节距是一致的，并且这两组透光缝隙错开四分之一的节距，从而使得最终信号处理输出的信号存在90°的相位差。在大多数情况下，如若直接由编码器的光电检测器件获取信号，信号的电平较低，波形也不规则，不能适应于信号处理、控制和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号近似于正弦波或者矩形波。由于矩形波输出信号易于进行数字处理，所以矩形信号输出在定位控制中得到广泛的应用。

正因为增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。

正转和反转时AB两路脉冲的超前、滞后关系相反。如上图，在B相的上升沿，如果A 相是高电平，则表明电机正转；在B相的上升沿，如果A相是低电平，则表明电机反转。通过辨向电路就可以轻松地判断出电机的旋转方向。增量式光电编码器中还有用作参考零位Z相标志脉冲信号，每当光电码盘旋转一周，就会发出一个标志信号。Z相标志脉冲通常用做系统坐标的原点，或清零信号，以减少测量的积累误差。

良好的光电编码器的辨向电路十分重要，因为它是影响系统控制精确度的关键因素。任何脉冲的丢失或者脉冲输出错误都不允许。如果仅仅知道A、B相的脉冲输出信号，计算机无法识别输出杆的位移与方向。辨向电路可以将正转和反转时的AB相脉冲输出分离，当光电编码器正转的时候，只有A相有脉冲信号输出，B相输出的脉冲信号处理为低电平；当光电编码器反转的时候，只有B相有脉冲信号输出，A相输出的脉冲信号处理为低电平。如此做便可以将A、B相的输出信号进行解码分离，从而便于微控制器能够通过外部的引脚触发中断计数，从而可以计算出电机旋转的角度。

光电编码器的信号处理分为两个部分。第一部分是对光电编码器直接输出信号进行整形处理。第二部分为光电编码器解码分离电路。

信号整形电路

施密特触发器作为一种波形整形电路，可以将模拟信号的波形整形为数字电路可以处理的方波。在数字系统中，由于矩形脉冲在传输的过程中，容易发生波形畸变，也可能出现上升和下降不理想的情况，使用施密特触发器进行整形可以获得较为清晰理想的矩形脉冲。这是由于施密特触发器与普通门电路不同，对于正向递加和负向递减的两种不同变化的输入信号，它具有两个阈值电压，即正向阈值电压和负向阈值电压。输入信号由低到高电平过程中是的电路状态变化的输入电压叫正向阈值电压，反之为负向阈值电压。正向阈值电压和负向阈值电压差值叫回差电压。

只有当输入电压有足够的变化时，才能引起输出信号的变化，施密特触发器所具备的指滞回特性，表明施密特触发器具备一定的记忆能力，回差电压的存在，使得施密特触发器具有较强的干扰能力。

实际的电路中，我们采用74HC14D六反相施密特触发器进行A、B、Z三相信号的整形。

解码分离电路

光电编码器辨向线路采用74HC74芯片。74HC74是一款高速CMOS 器件，它是双路D 型上升沿触发器。引脚D 是带独立数据输入端，CP 是时钟输入端，RD 是直接复位端（低电平有效），SD 是直接置位端（低电平有效），Q 和Q 是触发器的互补输出端。

SD

RD

CP D Q

Q

L H × × H L H L × × L

H

L L × × *H

*H

H H ↑ H H L H H ↑ L L

H

H

H

L

×

0Q

0Q

H 代表高电平；L 代表低电平；

0Q 代表输入条件建立前的Q 的电平；

0Q 代表输入条件建立前的Q 的电平；

↑ 代表电平由低到高的上升沿； × 代表任意值；

* 代表当SD 和RD 变为高电平时，输出不稳定。 下面是光电编码器辨向电路在Multisim 中的电路仿真。

设定的输入信号为1kHz，周期T=1/f=1/1000Hz=0.001s。相位差为90°，即两相输出有一个延时0.00025s。当编码器正转时，A相输出信号超出B相90°时，如下设置函数发生器的参数：

两相输入和输出波形如下：