光電編碼器原理及應用電路

1、光電編碼器原理及應用電路1? 光電編碼器原理光電編碼器， 是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。 這是目 前應用最多的傳 感器，光電編碼器是由光柵盤和光電 檢測裝置組成。 光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地 開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸， 電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉， 經發(fā)光二 極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 1 所示； 通過計算每秒光電編 碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此 外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差 90 度的 脈沖信號。圖 1 光電第碼器原理示意圖根據檢測原理，編碼器可

2、分為光學式、磁式、感應式 和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為 增量式、絕對式以及混合式三種。1. 1 增量式編碼器增 量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方 波脈沖 A、 B 和 Z 相； A、 B 兩組脈沖相位差 90度的脈 沖信號， Z 相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它 的優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。1. 2絕對式編碼器絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形 碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不 透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數目是雙倍 關系，碼

3、盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數, 在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏 元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光 照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種 編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N 位二進制分辨 率的編碼器，其碼盤必須有 N 條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編 碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形， 絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置

4、。編碼的設計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是：1. 2. 1 叮以直接讀出角度坐標的絕對值；1.2.2沒有累積誤差；1. 2. 3電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是 由二進制的位數來決泄的，也就是說精度取決于位數，目前有 10 位、 14 位等多種。3混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用 于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全 同增量式編碼器的輸出信息。光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸 入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數字化等優(yōu)點。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、

5、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。2.光電編碼器的應用電路1 EPC-755A光電編碼器的應用EPC-755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度 測量、 位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖 信號，且該脈沖信號經計數后可得到被測 量的數字信號。 因此，我們在研制汽車駕駛模擬器時，對方向盤旋轉角度 的測量選用EPC-755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分 雙 向的，既可順時針旋轉，也可逆時針旋轉，需要對 編碼 器的輸出信號鑒相后才能計數。圖 2給出了光電 編碼器 實際使用的鑒相與雙向計數電路，鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與

6、非門組成，計數電路用 3片74LS193組 成。辨率選用360個脈沖/,考慮到汽車方向盤轉動是TO Q0oin-LUUl D *OUT-A?CLK - QY2Q3QIQ2PlP2P3CUCD TCUCL TCD74LS193DOD1D2D3順時針堆轉OVTXOUT-BK2IW3N4PO DODID274LS193VC CCL TCV MR TCD 一PlF2 aDO P2 卷 弓艮D2I；命CU D3P3 D3CUCD TCUHR ICD74LS193D4D5D6D7re M DIO DllDCLZL盛光電褊瑪器鑒相計數電路當 光電編碼器順時針旋轉時，通道 A輸出波形超前通 道B輸出波形90

7、, D觸發(fā)器輸出Q （波形W1）為高電 平，Q （波形W2）為低電平，上面與非門打開，計數脈沖通過（波形 W3）,送至雙向計數器74LS193的加脈沖 輸入端CU,進行加法計數；此時，下面與非門關閉，其輸出為高電平（波形 W4）。當光電編碼 器逆時針旋 轉 時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90, D觸發(fā) 器輸出Q （波形W1）為低電平，Q （波形W2）為高電 平，上面與非門關閉，其輸出為高電平（波形 W3）;此 時，下面與非門打開，計數脈沖通過（波形 W4）,送 至 雙向計數器74LS193的減脈沖輸入端CD,進行減法計。汽車方向盤順時針和逆時針旋轉時， 其最大旋轉角度均為兩圈半， 選用

8、分辨率為 360個脈沖 / 圈的編碼器, 其最大輸出脈沖數為 900 個；實際使用的計數電路用 3 片 74LS193組成，在系統上電初始化時，先對其進 行復位 （ CLR 信號），再將其初值設為800H,即2048 （LD信號）；如此，當方向盤順時針旋轉 時，計數電路的 輸出范圍為2048?2948,當方向盤逆時針旋轉時，計 數電路的輸出范圍為2048? 1148； 計數電路的數據輸出 D0-D11 送至數據 處理電路。實際使用時，方向盤頻繁地進行順時針和逆時針轉動 , 由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向盤回 中時計數電路輸出可能不是2048,而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們

9、增加了 - 個方向盤回中檢 測電路，系統工作后，數據處理電路在模擬器處于非 操作狀態(tài)時，系統檢測回中檢 測電路，若方向盤處于 回中狀態(tài)，而計數電路的數據輸出不是2048,可對計數電路進行復位，并重新設置初值。2.2 光電編碼器在重力測量儀中的應用 采用旋轉式光電編碼器，把它的轉軸與重力測量儀中 補償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移量 轉化為某種電信號量；旋轉式光電編碼器分兩種，絕 對編碼器和增量編碼器。增 量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕 對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高。一般只需要 三條碼道，這里的碼道實際上已不具有絕對編碼器碼 道的意義，而是產生計數脈沖。它的碼盤的外

10、道和中 間道有數目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯開半個區(qū)。當碼盤轉 動時， 它的輸出信號是相位差為 90 的 A 相和 B 相 脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產生的 脈沖信號 （它作為碼盤的基準位置， 給計數系統提供 一個初始的零位信號）。從 A, B 兩個輸出信號的相 位關系（超前或滯后）可判斷旋轉的方向。由圖 3 （ a） 可見，當碼盤正轉時， A道脈沖波形比 B 道超前兀 /2, 而反轉時， A 道脈沖比 B 道滯后口 /2。圖 3 （b） 是一 實際電路，用 A 道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產生的正 脈沖與 B 道整形波相與，當碼盤正轉時只有正向口

11、 脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈沖源和脈沖計數來確定碼盤的轉 動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N 個（碼道）輸出信號，其相位差為兀/N,可計數脈沖為2N倍光柵 數，現在N=2。圖3電路的缺點是有時會產生 誤記脈沖造 成誤差，這種情況出現在當某一道信號處 于高或低 電平狀態(tài)，而另一道信號正處于高和低之間的往返 變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產生位 移，但是會產生單方向 的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生 抖動或手動對準位置時（下 面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況）。逆方向正方向喚 T_n_rL_u%m_rB通道正向脈沖 hnnfwinnnnmr逆向脈沖圖3增重光

12、電編碼器基本波形和電路inniwinnnnnnnf逆7T向V * - 正方向正向脈沖mwinnnnnnrr逆向脈沖iwimnnn?Vcc1634LS175131S12 nc ioU21231614整形電路ft i10k200pF22204101 1 +將491217lk1.7 7.9正向脈沖lk3.4.5 10逆向脈沖-il171（b）圖4四倍計數方式的波形和電路圖4是一個既能防止誤脈沖又能提肓分辨率的四倍頻細分電路。在這里，采用了有記憶功能的 D型觸發(fā)器和時鐘發(fā)生電路。由圉 4可見，每一道有兩個 D觸發(fā)器串接，這樣f在時鐘脈沖的間隔中，兩個 Q端（如對應B道的74LS175的第2、7引腳）保

13、持前兩個時鐘期的輸入狀態(tài)f若兩者相同，則表示時鐘間隔中無變化；否貝！ J,可以根據兩者關系判斷出它的變化方向，從而產生正向或?反向輸出脈沖。當某道由于 振動在高、？低？間往復變化時，將交替產生正向和反向脈沖，這在對兩個計數器取代數和時就可消除它們的影響（下面儀器的讀數也將涉及這點）o由此可見f時鐘發(fā)生器的頻率應大于振動頻率的可能最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內，得到了四個計數脈沖。例如，原每圈脈沖數為1000的綢 碼器可產生4倍頻的脈沖數是4000個，其分辨率為實際上，目前這類傳感器產品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上細分與計數電路就可

14、以組成一個角位移測量系統（74159是4-16譯碼器）。其他資料：編碼器如以信號原理來分，有瑁重型編碼器，絕對型編碼器。工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信 號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為 360度），將C、D信號 反向， 疊加在A、B兩相上，可堵強穩(wěn)定信號；另每轉輸出一個 Z相脈沖以代表零位參考位。瑁重型編碼器（旋轉型）由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別能碼器的正轉與反轉f通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位.編碼器碼盤的材料有玻璃. 金屬、 塑料， 玻璃碼

15、盤是在玻璃上沉積很薄的刻線, 其熱穩(wěn)定性好， 精度高 , 金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎r 但由于金屬有一走的厚度. 精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數重級，塑料碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率一編碼器以每旋轉360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率, 也稱解忻分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度 5 10000 線。信號輸出 :信號輸出有正弦波（電流或電壓）方波（ TTL 、 HTL ），隼電極開路（ PNP 、 NPN ）推拉式多種形式, 其中TTL 為長線差分驅動（對稱AA;B,B ? ;ZZ ） ,HTL 也稱推拉式、推挽式輸出 f 編碼

16、器的信號接收設備接口 應與編碼器對應.信號連接一編碼器的脈沖信號一般連接計數器、 PLC 、計算機， PLC 和計算機連接的模塊有低速模塊與高 速 模塊之分 r 開關頻率有低有高。如單相聯接用于單方向計數，單方向測速 .A.B 兩相聯接用于正反向計數、判斷正反向和測速。A、 B、 Z 三相聯接，用于帝參考位修正的位置測重.A、A-f B. B- # Z、Z-連接r由于芾有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小， 抗干擾最佳 r 可傳輸較遠的距離。對于TTL 的芾有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150 米。對于HTL 的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300 米 ?堵量式編碼器的問題：堵量型編碼器存在零點累計誤差，抗干擾較差f 接收設備的停機需斷電記憶, 開機應找零或參考位等問題， 這些問題如選用絕對型編碼器可以解決.測速，測轉動方向，測移動角度、距離（相對） .絕對型編碼器（ 旋轉型）絕對編碼器光碼盤上