課程設(shè)計(jì)光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

1、學(xué)號(hào)： 課程設(shè)計(jì)（說(shuō)明書(shū)）（ 屆）題 目 光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì) 學(xué) 生 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 校內(nèi)指導(dǎo)教師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二 年 月光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)摘 要：整流電路是ad-dc電能轉(zhuǎn)換電路，將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱雾?xiàng)脈沖電壓。其中的整流元件（二極管或晶閘管）所以能整流，是因?yàn)樗鼈兙哂袉蜗驅(qū)щ姷墓餐匦?。在增量式光電編碼器的使用中，其旋轉(zhuǎn)方向的判別式首先要解決的。根據(jù)增量式光電編碼器的a、b兩相脈沖信號(hào)，可以使用單片機(jī)采集i/o電平信號(hào)并依據(jù)其先后順序使用軟件判別旋轉(zhuǎn)方向，也可以采用硬件電路通過(guò)兩相信號(hào)順序判別旋轉(zhuǎn)方向。利用方向判別電路和4位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器可以組成

2、增量式光電編碼器計(jì)數(shù)電路。光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用的位移檢測(cè)傳感器。當(dāng)控制對(duì)象發(fā)生位置變化時(shí)，光電編碼器便會(huì)發(fā)出 a、b 兩路相位差 90 度的數(shù)字脈沖信號(hào)。正轉(zhuǎn)時(shí) a 超前 b90 度，反轉(zhuǎn)時(shí) b 超前 a90 度。脈沖的個(gè)數(shù)與位移量成比例關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的位移。關(guān)鍵詞：光電編碼器；判別電路；計(jì)數(shù)電路；預(yù)置電路；整流電路目 錄摘要····················

3、;··················································

4、;······················目錄···························

5、83;·················································

6、83;··············引言···································&

7、#183;·················································&

8、#183;······任務(wù)書(shū)··········································

9、3;·············································1 總體設(shè)計(jì)方案···&#

10、183;·················································&#

11、183;··················12控制電源電路設(shè)計(jì)·····························

12、3;···································22.1 元件選擇·············&

13、#183;·················································&

14、#183;················22.2 電路原理·······························

15、3;················································43 判別電路

16、83;·················································

17、83;·····························53.1 元件選擇···················

18、··················································

19、···········53.2 電路原理·····································

20、83;··········································104 12位計(jì)數(shù)電路·····

21、3;·················································

22、3;················114.1 元件選擇································

23、················································114.2 電路原理&#

24、183;·················································&#

25、183;·····························145 預(yù)置電路···················

26、··················································

27、···········156 電路原理圖及pcb印刷電路····································&

28、#183;·········167 小結(jié)體會(huì)·······································

29、;·········································18參考文獻(xiàn)········

30、;··················································

31、;······························19附錄a···················

32、··················································

33、······················20引 言光電編碼器，是一種通過(guò)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。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通

34、過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號(hào)。光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移-數(shù)字變換，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字量的傳感器。 常見(jiàn)的光電編碼器由光柵盤(pán)，發(fā)光元件和光敏元件組成。光柵實(shí)際上是一個(gè)刻有規(guī)則透光和不透光線條的圓盤(pán)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)整形后，變?yōu)槊}沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)一圈，輸出一個(gè)脈沖。根據(jù)脈沖的變化，可以精確測(cè)量和控制設(shè)備位移量。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&am

35、p;ordm;，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而z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(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)電一體化 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和計(jì)劃書(shū) 專業(yè)班級(jí) 機(jī)制082（機(jī)電）設(shè)計(jì)時(shí)間 2012.1.2-2012.1.20 指導(dǎo)教師 俞竹青 一、設(shè)計(jì)題目和參數(shù)設(shè)計(jì)人員：1-10號(hào)設(shè)計(jì)題目：光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)：a. 光電編碼器輸出信號(hào)a, /a, b, /b； b. 計(jì)數(shù)器采用三個(gè)4位雙時(shí)鐘加減計(jì)數(shù)器（74ls193）級(jí)聯(lián)構(gòu)成； c. 12位計(jì)數(shù)

36、器上電后初始計(jì)數(shù)值為h800；d. 方向判別電路輸出正反轉(zhuǎn)雙時(shí)鐘信號(hào)；e. ac220v交流電源供電的直流電源電路。二、要求完成的設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求如下：a. 畫(huà)出電路原理圖； b. 畫(huà)出電路印刷電路圖； c. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； d. 根據(jù)計(jì)算確定所有選用電子元件的型號(hào)；e. 答辯時(shí)出示設(shè)計(jì)電路中所選電子元件實(shí)物；f. 列出所購(gòu)電子元件的型號(hào)、銷售商和價(jià)格。三、設(shè)計(jì)時(shí)間安排第一周：電路原理圖設(shè)計(jì)和計(jì)算；第二周：電路印刷電路圖設(shè)計(jì)；第三周：說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)，答辯。成績(jī)?cè)u(píng)定說(shuō)明： 1、 成績(jī)?cè)u(píng)定主要參考依據(jù)：出勤和設(shè)計(jì)態(tài)度、說(shuō)明書(shū)和圖紙質(zhì)量、答辯情況等。2、

37、指導(dǎo)教師根據(jù)設(shè)計(jì)題目和任務(wù)的具體情況，制定出各部分所占總成績(jī)的比例，并在課程設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)向?qū)W生公布。說(shuō)明書(shū)和圖紙質(zhì)量50分，平時(shí)出勤、設(shè)計(jì)態(tài)度及答辯情況50分，滿分100分。1 總體方案設(shè)計(jì) 圖1.1 總體設(shè)計(jì)圖利用電源控制電路，將220v交流電源轉(zhuǎn)化為光電編碼器判別電路和12位計(jì)數(shù)電路可用的直流電源。采用硬件電路通過(guò)兩相信號(hào)順序判別旋轉(zhuǎn)方向，構(gòu)成方向判別電路。利用雙時(shí)鐘可預(yù)置加減計(jì)數(shù)器74ls193以及電容電阻構(gòu)成預(yù)置電路，預(yù)置數(shù)為800h。利用方向判別電路和4位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器可以組成增量式光電編碼器計(jì)數(shù)電路。2 控制電源電路設(shè)計(jì)2.1 元件選擇2.1.1 變壓器此電路為一個(gè)光電編碼器判別電

38、路和一個(gè)十二位計(jì)數(shù)電路供電。主要原理是根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)確定變壓器。查表得74ls193最大承受電流34ma，74ls04最大承受電流6.6ma，74ls00最大承受電流8ma，74ls74最大承受電流30ma,電源輸入電流34*3+6.6+8+30=146.6 ma200ma，各元件vcc5v，所以w7805輸出的電壓定為5v，輸入電壓定位7v，根據(jù)u0=1.2u，得到u=7/1.2=5.83v,算出變壓器功率p=ui1w，所以取變壓器5w。2.1.2 整流橋我們選擇的整流橋是kbp005-kbp10。圖2.1 整流橋由于變壓器功率很小，反向電壓足夠，正向電流等參數(shù)均滿足要求。因此選用此整流塊

39、符合要求。表2.1整流塊各項(xiàng)參數(shù)表2.1.3 穩(wěn)壓元件7805由于各元件vcc都不超過(guò)5v，所以取輸出電壓5v，選擇穩(wěn)壓元件7805。概述：7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路,to-220 封裝，能提供多 種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保 護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1a。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。圖2.2 穩(wěn)壓元件各項(xiàng)參數(shù)如下表所示：表2.2 穩(wěn)壓元件各項(xiàng)參數(shù)表2.1.4 電容整流電路的電容選擇c1=1000uf，穩(wěn)壓電路ci=0.33uf，c0=1uf，計(jì)數(shù)電路電容為c=1uf。2.2 電路原理圖2.3 整流電路原理圖220v交流

40、電經(jīng)過(guò)變壓器t1變壓到7v經(jīng)單相橋式整流電路整流，再由電容濾波，經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后，輸出所需直流5v。3 方向判別電路3.1 元件選擇3.1.1 74ls7474 為帶預(yù)置和清除端的兩組 d 型觸發(fā)器，共有 54/7474、54/74h74、54/74s74、54/74ls74 四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性的典型值如下：表3.1 典型值型號(hào)fmaxpd5474/747425mhz85mw54h74/74h7443 mhz150mw54s74/74s74110 mhz150mw54ls74/74ls7433 mhz20mw表3.2引出端符號(hào)1cp、2cp時(shí)鐘輸入端1d、2d數(shù)據(jù)輸入端

41、1q、2q、1q、2q輸出端clr1、clr2直接復(fù)位端（低電平有效）pr1、pr2直接置位端（低電平有效）表3.3 極限值電源電壓7v輸入電壓54/7474、54/74h74、54/74s745.5v54/74ls747v工作環(huán)境溫度54xxx-5512574xxx070存儲(chǔ)溫度-65150表3.4 功能表圖3.1 邏輯圖表3.5 推薦工作條件5474/747454h74/74h7454s74/74s7454ls74/74ls74單位最小額定最大最小額定最大最小額定最大最小額定最大電源電壓vcc544.555.54.555.54.555.54.555.5v744.7555.254.7555.

42、254.7555.254.7555.25輸入高電平電壓vih2222v輸入低電平電vil540.80.80.80.7v740.80.80.80.8輸出高電平電流ioh-400-1000-1000-400µa輸出低電平電流iol541620204ma741620208時(shí)鐘頻率fclk015035075025mhz脈沖寬度twcp(h)3015625nscp(l)3713.57.3pr(l)clr(l)3025725建立時(shí)間tsud(h)20*10*3*20*nsd(l)20*15*3*20*保持時(shí)間th5*5*2*5*ns*表示以 cp 上升沿為參考表3.6靜態(tài)特性（ta 為工作環(huán)境溫

43、度范圍）參數(shù)測(cè) 試 條 件【1】74h74s74ls74單位最小最大最小最大最小最大最小最大vik輸入嵌位電壓vcc=最小iik=-8ma-1.5viik=-12ma-1.5iik=-18ma1.2-1.5voh輸出高電平電壓vc最小vih=2v，vil最大ioh最大542.42.42.52.5v742.42.42.72.7vol輸出低電平電壓vcc=最小，vil最大，vih=2v,iol=最大540.40.40.50.4v740.40.40.50.5ii最大輸入電壓vcc最大d，cp1110.1ma參數(shù)測(cè) 試 條 件【1】74h74s74ls74單位最小最大最小最大最小最大最小最大vik輸入

44、嵌位電壓vcc=最小iik=-8ma-1.5viik=-12ma-1.5iik=-18ma1.2-1.5voh輸出高電平電壓vc最小vih=2v，vil最大ioh最大542.42.42.52.5v742.42.42.72.7vol輸出低電平電壓vcc=最小，vil最大，vih=2v,iol=最大540.40.40.50.4v740.40.40.50.5ii最大輸入電壓vcc最大d，cp1110.1ma1: 測(cè)試條件中的“最小”和“最大”用推薦工作條件中的相應(yīng)值。表3.7動(dòng)態(tài)特性(ta=25)參數(shù)2測(cè) 試 條 件74h74s743ls74單位最小最大最小最大最小最大最小最大fmaxvcc=5v,

45、cl=15pf(h74 為 25pf) rl=400(h74 和s74 為 280，ls74 為 2k15357525mhztplhprq2520625nstphlprq403013.540tplhclrq2520625nstphlclrq403013.540tplhcpq2515925nstphlcpq40209402：fmax最大時(shí)鐘頻率，tplh輸出由低到高傳輸延遲時(shí)間，tphl輸出由高到低傳輸延遲時(shí)間3：測(cè)tphl（prq，clrq），cp(h)時(shí)tphl最大值為 13.5ns，cp(l)時(shí)tphl最大值為 8ns3.1.2 74ls00簡(jiǎn)要說(shuō)明：00 為四組 2 輸入端與非門(mén)（正邏輯

46、），共有 54/7400、54/74h00、54/74s00、54/74ls00四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性的典型值如下：表3.8 典型值型號(hào)tplhtphlpd5400/740011ns7ns40mw54h00/74h005.9ns6.2ns90mw54s00/74s003ns3ns75mw54ls00/74ls009ns10ns9mw引出端符號(hào)：1a4a，1b4b 輸入端1y4y 輸出端圖3.2 邏輯圖表3.9 極限值電源電壓7v輸入電壓54/7400、54/74h00、54/74s005.5v54/74ls007vab 間電壓除 54/74ls00 外5.5v工作環(huán)境溫度54xxx-5

47、512574xxx070存儲(chǔ)溫度-65150表3.10 功能表表3.11 推薦工作條件5400/740054h00/74h0054s00/74s0054ls00/74ls00單 位最小額定最大最小額定最大最小額定最大最小額定最大電 源 電 壓vcc544.555.54.555.54.555.54.555.5v744.7555.254.7555.254.7555.254.7555.25輸入高電平電壓vih2222v輸入低電平電vil540.80.80.80.7v740.80.80.80.8輸出高電平電流ioh-400-500-1000-400µa輸出低電平電流iol541620204ma7416