增量式光電編碼器信號處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：實踐中經(jīng)常會遇到將光電編碼器的輸出信號經(jīng)一系列處理轉(zhuǎn)化成電壓信號的情況。因此，以2RHIB型光電編碼器為例，設(shè)計了一種集編碼器信號接收、光電隔離、鑒相、頻率電壓轉(zhuǎn)化和電壓調(diào)整輸出功能于一體的綜合性電路，并對電路各組成部分作了較為詳細的分析和闡述。實踐證明，該電路通用性強、操作簡單、性能可靠、實用性強。
關(guān)鍵詞：2RHIB型光電編碼器；光電隔離；鑒相；頻率電壓轉(zhuǎn)換；LM331

目前，在現(xiàn)代電子工業(yè)中，光電編碼器作為傳感手段被廣泛采用。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。通常，根據(jù)碼盤形式光電編碼器分為絕對式、增量式和混合式3種。增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相。
在實際應(yīng)用中，光電編碼器的輸出信號往往不能被直接采用，需要對此進行相應(yīng)的拓展電路處理。文中針對丹麥SCANON公司的2RHIB型號的光電編碼器，設(shè)計了一種集光電隔離、鑒相、頻率電壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)整輸出等功能于一體的綜合性電路。該電路組成簡單、調(diào)整方便、線性度好、具有實用價值。

1 光電編碼器
采用丹麥SCANON公司的2RHIB型通心軸增量式編碼器。該編碼器有4種輸出信號標準：1)“TP-標準”(Normal，TP-Standard)信號，輸出信號為3通道輸出：A、B、Z通道，即單通道或TP(方波輸出)標準通道。2)“TP-差分”(TP-Differential)信號，輸出信號為6通道：A、B、Z通道和反向A、反向B、反向Z通道。3)“OL7272線驅(qū)動適應(yīng)于長電纜”(Linedriver OL7272 for extra long cable)的差分信號，傳輸距離可達100 m。4)“用26C31芯片的線驅(qū)動電路”(Line driver chip26C31)的差分信號，在5V工作電壓下可以兼容RS-422A。低壓輸出0．4V。

2 光電編碼器輸出信號處理電路設(shè)計
此電路由電源模塊、編碼器的信號輸入模塊、光電隔離模塊、鑒相模塊、頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓調(diào)整模塊組成。以SCANCON的2RHIB光電編碼器為模型，可以滿足該型號不同輸出信號、不同分辨率的產(chǎn)品的信號轉(zhuǎn)換應(yīng)用要求。同時，為了滿足不同應(yīng)用場合對輸出電壓極性的要求，輸出電路提供了兩路電壓信號輸出，互為反相?？傇O(shè)計框圖如圖1所示。

2．1 光電隔離模塊設(shè)計
由于光電編碼器的頻率較高，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，光電編碼器輸出信號需經(jīng)光電隔離后才能進行鑒相以及頻率電壓轉(zhuǎn)換。本電路中采用光耦TPL521-2以實現(xiàn)對于脈沖信號的光電隔離。
由于選擇的TPL-521-2是線性光耦，所以在設(shè)計電路時應(yīng)著重考慮光耦的下拉電阻取值，確保光耦的輸出波形良好。經(jīng)過反復(fù)實驗，最終選擇510Ω。
2．2 鑒相模塊設(shè)計
2RHIB型光電編碼器輸出3組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩相一圈輸出N個脈沖，Z相一圈輸出1個脈沖，A、B兩相相位差90°。A相超前則正轉(zhuǎn)，B相超前則反轉(zhuǎn)。鑒相電路用來分辨A相超前還是B相超前，實現(xiàn)判斷當前編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。
考慮到鑒相的準確性和穩(wěn)定性，本電路并未采用一般的由與非門、異或門和D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路，而是選用了專業(yè)的正交解碼芯片LS7084來判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。
本電路中LS7084可選擇X1或X4模式。電路工作在X1模式時，編碼器一個周期內(nèi)產(chǎn)生一個輸出脈沖，直接進入轉(zhuǎn)換電路；工作在X4模式時，A相和B相輸入信號的上升沿和下降沿均產(chǎn)生一個脈沖，即一個周期內(nèi)產(chǎn)生4個輸出脈沖，編碼器輸出脈沖以X4的細分模式進入轉(zhuǎn)換電路。具體視實際應(yīng)用情況而定。
2．3 頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計
本電路設(shè)計將光電編碼器輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成標準的電壓信號，選擇了使用簡單、測量精度高且不易受環(huán)境溫度干擾的頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片LM331。

2．3．1 LM331簡介
LM331可用作精密的頻率電壓(F／V)轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器以及其他相關(guān)的器件。內(nèi)置溫度補償能隙基準電源，在整個工作溫度范圍內(nèi)都具有很高的轉(zhuǎn)換精度和溫度穩(wěn)定性。且頻率適應(yīng)范圍寬(1 Hz～100 kHz)、線性度好、外圍電路簡單。 LM331采用雙列直插式8腳封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。