旋轉(zhuǎn)編碼器的抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路

摘要：旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于角度定位或測(cè)量時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)軸的晃動(dòng)可能引起編碼器輸出波形的，從而引發(fā)誤計(jì)數(shù)現(xiàn)象。介紹了一個(gè)抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路，濾除了旋轉(zhuǎn)編碼器因抖動(dòng)而造成的誤計(jì)數(shù)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器 抗抖動(dòng)電路 數(shù)字電路

旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于角度定位或測(cè)量時(shí)，通常有A、B、Z三相輸出。旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出波形見圖1。A相和B相輸出占空比為50%的方波。編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖（如100個(gè)脈沖）。當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相比B相超前四分之一個(gè)周期；當(dāng)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B相比A相超前四分之一個(gè)周期。A相和B相輸出方波的相位差為90°。編碼器每轉(zhuǎn)一周，Z相輸出一個(gè)脈沖。由于編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖，則A相或B相每輸出一個(gè)脈沖，表示編碼器旋轉(zhuǎn)了一個(gè)固定的角度。當(dāng)Z相輸出一個(gè)脈沖時(shí)，表示編碼器旋轉(zhuǎn)了一周。因此旋轉(zhuǎn)編碼器可以測(cè)量角位移及位移方向。

問題出在伺服系統(tǒng)停止工作時(shí)，若無鎖定，則旋轉(zhuǎn)軸受外力（如風(fēng)力影響）可能自由晃動(dòng)，因而引起編碼器輸出波形抖動(dòng)，如圖2所示，從而引起誤計(jì)數(shù)。在這種情況下，就不能對(duì)波形進(jìn)行正確計(jì)數(shù)。雖然可以通過軟件設(shè)置標(biāo)志狀態(tài)，用記錄歷史狀態(tài)的變化來濾除誤計(jì)數(shù)，但是程序耗費(fèi)頗大。因此，本人設(shè)計(jì)了一個(gè)抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路。它能夠自動(dòng)消除抖動(dòng)造成的誤計(jì)數(shù)。

1 抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路原理圖

圖3是抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路原理圖。此電路濾除了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出波形的抖動(dòng)現(xiàn)象。該電路分為四個(gè)部分：譯碼電路U4A；互鎖電路U5A、U5B；正旋計(jì)數(shù)鏈J1、J3、J5和反旋計(jì)數(shù)鏈J2、J4、J6。U4A為二四譯碼器，U5A、U5B為與門，J1～J6為D觸發(fā)器。正旋計(jì)數(shù)鏈負(fù)責(zé)對(duì)編碼器正向旋轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)，反旋計(jì)數(shù)鏈負(fù)責(zé)對(duì)編碼器反向旋轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)。

2 抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路工作分析

圖4為二四譯碼器輸出的波形。譯碼器產(chǎn)生d、a、b、c四種不同的狀態(tài)。在圖3中當(dāng)B=0、A=0時(shí)，譯碼器Q0輸出為d狀態(tài)，d狀態(tài)為高電平。當(dāng)B=0、A=1時(shí)，譯碼器Q1輸入為a狀態(tài),a狀態(tài)為高電平。當(dāng)B=1、A=1時(shí)，譯碼器Q2輸出為b狀態(tài)，b狀態(tài)為高電平。B狀態(tài)不影響計(jì)數(shù)和方向確定，在圖3電路中沒有使用。當(dāng)B=1、A=0時(shí)，譯碼器Q3輸出為c狀態(tài)，c狀態(tài)為高電平。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，譯碼器輸出的狀態(tài)順序?yàn)閐、a、b、c、d、a、b、c……。如圖4所示。當(dāng)B=0、A=0時(shí)，進(jìn)入d狀態(tài)，與門U5A的Pin2=a=0(Pin是管腳的意思)，于是U5A的輸出Pin3=0。D觸發(fā)器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0.與門U5B的Pin5=c=0，于是U5B的輸出Pin4=0。D觸發(fā)器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。這時(shí)J1、J2的Q端都為1，與門U5的Pin1=Pin6=1,U5A和U5B都處于等待開門狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入狀態(tài)a時(shí)，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。由于c=0，所以J2的Q端仍為1，U5A的Pin1=1，U5A的輸出Pin3=1.J1的R=d=0、S=1，因此J1被置1。J1的Q=1，Q=0。J1的Q=1，正旋標(biāo)志送到了J3的D端。時(shí)J1的Q端關(guān)閉了U5B。在下一個(gè)d出現(xiàn)之前，所有的c脈沖都不會(huì)改變J2的狀態(tài)。這就說，J1、J3、J5組成的正旋計(jì)數(shù)鏈被打開，J2、J4、J6組成的反旋計(jì)數(shù)鏈被阻斷。U5A、U5B、J1、J2完成互鎖的功能。在進(jìn)入狀態(tài)a時(shí)，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0.在進(jìn)入狀態(tài)c前，J3的R=a=0、S=0、D=1，J3處于待觸發(fā)狀態(tài)。J3的CLK=c，當(dāng)c脈沖上升沿過后，D=1被打入J3的Q端，正旋標(biāo)志送到了J5的D端。在進(jìn)入狀態(tài)d前，J5的R=a=0、S=0，J5處于待觸發(fā)狀態(tài)。J5的CLK=d，當(dāng)d脈沖上升沿過后，D=1被打入J5的Q端，正旋標(biāo)志送到了正旋計(jì)數(shù)輸出端。正旋計(jì)數(shù)輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?。到此為止，完成了一次正旋?jì)數(shù)。當(dāng)由狀態(tài)d進(jìn)入狀態(tài)a時(shí)，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋計(jì)數(shù)輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?。由此可知，?dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)A相 B相的每一個(gè)完整周期，正旋計(jì)數(shù)輸出端都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)脈沖。

A的出現(xiàn)搶到了正旋計(jì)數(shù)權(quán)。只有在d重新出現(xiàn)后，脈沖c才可能有機(jī)會(huì)搶到反旋計(jì)數(shù)權(quán)。從而保證了一旦進(jìn)入正旋計(jì)數(shù)狀態(tài)，不全完成這一過程，就進(jìn)入不了反旋計(jì)數(shù)狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)有可能從狀態(tài)a返回狀態(tài)d，結(jié)果這只不過釋放正旋計(jì)數(shù)權(quán)。因這時(shí)正旋標(biāo)志還只在J3輸入端上，a出現(xiàn)時(shí)已把J3清0。D狀態(tài)只會(huì)把0送給J5的Q端，因此不會(huì)產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，譯碼器輸出的狀態(tài)順序?yàn)閐、c、b、a、d、c、b、a……。這種情況的分析方法與正向旋轉(zhuǎn)的分析方法相同，這里不再敘述。

這就好比接力賽。在一個(gè)只允許上一個(gè)人的封閉的環(huán)形跑道上依次均勻設(shè)d、a、b、c、四個(gè)站，立四個(gè)裁判員。d點(diǎn)為起止點(diǎn)、出入口，持棒運(yùn)動(dòng)員沿環(huán)形跑道一站站往下跑。D裁判長(zhǎng)的職責(zé)是：運(yùn)行員往a去（順行），告示：“有人，正向”；往c去（逆行），告示：“有人，反相”。其他裁判員的職責(zé)是給到達(dá)本站的運(yùn)動(dòng)員發(fā)簽證（計(jì)數(shù)標(biāo)志），往回跑，撤銷簽證。d裁判長(zhǎng)的計(jì)分規(guī)則是：憑其他裁判的簽證齊全加牌示，正，加一分，反，減一分，然后撤銷簽證。簽證不齊到d，則不計(jì)分，撤銷簽證。運(yùn)行員在跑道內(nèi)來回跑或坐時(shí)，d裁判視而不見。

例如在圖2中，當(dāng)從狀態(tài)d進(jìn)入狀態(tài)a時(shí)，正旋標(biāo)志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b都不起作用，只是把J3和J5反復(fù)清0.當(dāng)從狀態(tài)c進(jìn)入狀態(tài)d時(shí)，正旋標(biāo)志到正旋計(jì)數(shù)輸出端，同時(shí)J1和J2被清零。在從狀態(tài)d進(jìn)入狀態(tài)c后，反旋標(biāo)志送到J4的D端。同時(shí)，D=0被打入J3的Q端，這時(shí)J5的D端為零。在從狀態(tài)c回到狀態(tài)d后，反旋計(jì)數(shù)權(quán)被釋放。但是，由于J5的D端為零，雖然這里再次出現(xiàn)狀態(tài)d,該d脈沖不會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)，這就是抗抖動(dòng)。

圖5為抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路的輸出波形。此電路計(jì)數(shù)頻率可達(dá)10MHz。A相和B相輸入前應(yīng)予整形，必要時(shí)還要進(jìn)行電隔離。

本人把此電路用于對(duì)在線云臺(tái)角度的定位與測(cè)量。天線云臺(tái)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，俯仰角從0～90度，方位角從0～354度。旋轉(zhuǎn)編碼器用的是OMROM公司的E6A2。此編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相或B相輸出一百個(gè)脈沖。由此可得，抗抖動(dòng)計(jì)數(shù)電路每輸出一個(gè)脈沖，編碼器旋轉(zhuǎn)的角度是3.6度。如果加上變速齒輪將會(huì)提高角度測(cè)量精度。把抗抖動(dòng)電路的正旋計(jì)數(shù)輸出和反旋計(jì)數(shù)輸出接到單片機(jī)的中斷管理上，其下降沿時(shí)給單片機(jī)發(fā)中斷。單片機(jī)把處理的角度信息送到顯示屏上顯示出來，從而完成了對(duì)天線云臺(tái)角度的定位與測(cè)量。這套天線角度顯示系統(tǒng)在實(shí)際使用中運(yùn)行一直很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過誤計(jì)數(shù)現(xiàn)象。