增量式光电编码器信号处理电路的设计与实现

摘要：实践中经常会遇到将光电编码器的输出信号经一系列处理转化成电压信号的情况。因此，以2RHIB型光电编码器为例，设计了一种集编码器信号接收、光电隔离、鉴相、频率电压转化和电压调整输出功能于一体的综合性电路，并对电路各组成部分作了较为详细的分析和阐述。实践证明，该电路通用性强、操作简单、性能可靠、实用性强。
关键词：2RHIB型光电编码器；光电隔离；鉴相；频率电压转换；LM331

目前，在现代电子工业中，光电编码器作为传感手段被广泛采用。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。通常，根据码盘形式光电编码器分为绝对式、增量式和混合式3种。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相。
在实际应用中，光电编码器的输出信号往往不能被直接采用，需要对此进行相应的拓展电路处理。文中针对丹麦SCANON公司的2RHIB型号的光电编码器，设计了一种集光电隔离、鉴相、频率电压转换、电压调整输出等功能于一体的综合性电路。该电路组成简单、调整方便、线性度好、具有实用价值。

1 光电编码器
采用丹麦SCANON公司的2RHIB型通心轴增量式编码器。该编码器有4种输出信号标准：1)“TP-标准”(Normal，TP-Standard)信号，输出信号为3通道输出：A、B、Z通道，即单通道或TP(方波输出)标准通道。2)“TP-差分”(TP-Differential)信号，输出信号为6通道：A、B、Z通道和反向A、反向B、反向Z通道。3)“OL7272线驱动适应于长电缆”(Linedriver OL7272 for extra long cable)的差分信号，传输距离可达100 m。4)“用26C31芯片的线驱动电路”(Line driver chip26C31)的差分信号，在5V工作电压下可以兼容RS-422A。低压输出0．4V。

2 光电编码器输出信号处理电路设计
此电路由电源模块、编码器的信号输入模块、光电隔离模块、鉴相模块、频率电压转换模块、电压调整模块组成。以SCANCON的2RHIB光电编码器为模型，可以满足该型号不同输出信号、不同分辨率的产品的信号转换应用要求。同时，为了满足不同应用场合对输出电压极性的要求，输出电路提供了两路电压信号输出，互为反相。总设计框图如图1所示。

2．1 光电隔离模块设计
由于光电编码器的频率较高，为提高系统的抗干扰能力，光电编码器输出信号需经光电隔离后才能进行鉴相以及频率电压转换。本电路中采用光耦TPL521-2以实现对于脉冲信号的光电隔离。
由于选择的TPL-521-2是线性光耦，所以在设计电路时应着重考虑光耦的下拉电阻取值，确保光耦的输出波形良好。经过反复实验，最终选择510Ω。
2．2 鉴相模块设计
2RHIB型光电编码器输出3组方波脉冲A、B和Z相。A、B两相一圈输出N个脉冲，Z相一圈输出1个脉冲，A、B两相相位差90°。A相超前则正转，B相超前则反转。鉴相电路用来分辨A相超前还是B相超前，实现判断当前编码器的旋转方向。
考虑到鉴相的准确性和稳定性，本电路并未采用一般的由与非门、异或门和D触发器构成的鉴相电路，而是选用了专业的正交解码芯片LS7084来判断编码器是正转还是反转。
本电路中LS7084可选择X1或X4模式。电路工作在X1模式时，编码器一个周期内产生一个输出脉冲，直接进入转换电路；工作在X4模式时，A相和B相输入信号的上升沿和下降沿均产生一个脉冲，即一个周期内产生4个输出脉冲，编码器输出脉冲以X4的细分模式进入转换电路。具体视实际应用情况而定。
2．3 频率电压转换模块设计
本电路设计将光电编码器输出的频率信号转换成标准的电压信号，选择了使用简单、测量精度高且不易受环境温度干扰的频率电压转换芯片LM331。

2．3．1 LM331简介
LM331可用作精密的频率电压(F／V)转换器、A／D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。内置温度补偿能隙基准电源，在整个工作温度范围内都具有很高的转换精度和温度稳定性。且频率适应范围宽(1 Hz～100 kHz)、线性度好、外围电路简单。 LM331采用双列直插式8脚封装，其内部结构框图如图2所示。

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LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。各引脚功能如下：脚1为脉冲电流输出端，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态电路相同；脚2为脉冲电流输出幅度调节端，Rs越小，输出电流越大；脚3为脉冲电压输出端，不用时可悬空或接地；脚4为地；脚5为单稳态外接定时时间常数RC；脚6为单稳态触发脉冲输入端，低于脚7电压触发有效，要求输入宽度小于单稳态输出脉宽Tw，脚7为比较器基准电压，用于设置输入脉冲的有效触发电平的高低；脚8为电源端，正常工作电压范围为4～40V DC。
2．3．2 频率电压转换
由LM331构成的精密频率电压转换电路如图3所示。

输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc／3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc／3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc／3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多，输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率电压的变换。其中，输出电压Vo与fi的关系为：
Vo=-2．09RLRtCt／Rs (1)
R3的取值为：
R3=(Vcc-2 V)／0．2 mA (2)
电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。电容CL大些，输出电压Vo的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。
在具体应用时需注意，输入频率脉冲信号经RC微分电路加至LM331内的输入比较器，脉冲下降沿有效，而LS7084的CLK输出端已是负尖脉冲信号，所以LM331的6脚和8脚之间无须接微分电路。考虑到同一型号编码器有不同的分辨率，本电路中，在LM331的1脚输出端专门设计了四位SW3拨码开关电路，分别连接不同的电阻，即RL可以取10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。电阻选择方法如下。
1)计算输入频率：
fi=最高转速(转／分钟)÷60x编码器分辨率(Pules／Review．) (3)
注意：输入频率不得超过100 kHz。
2)计算电阻值：
R=109÷(fix1．895) (4)
选择低于并最接近所计算出来的电阻值的电阻，也可以选择多个电阻并联的方式进行设置。
2．4 其他部分电路设计
电源部分将24 V直流输入电压转换成±15 V，+5 V，-12 V，用以给整个电路中的各个芯片供电。其中，专业电源转换芯片LT1111构成反极性降压电路，输出-15V。
编码器输入信号部分针对2RHIB型光电编码器的4种不同输出信号，采用不同的接受信号芯片，从而进行后续处理。输入信号选择的缺省连接为“TP-标准”或“TP-差分”。
电压调整部分采用LM324运放，对LM331输出的电压根据实际需求进行调整。本电路设计了两路电压输出，互为反相。其中，两路输出电压均为可调。

3 电路调试
准备万用表、示波器和平口螺丝刀。按编码器上各个颜色的线的定义正确接线，检查电路板下没有杂物，附近没有热源。检查完毕确保无误，给电路上电。
用万用表测量电源部分的+15 V，+5 V电压是否正确。若不正确，检查相关电路。然后，用螺丝刀调节LT1111芯片8脚输出端的电位器，使输出-15 V。注意，-15 V的数值应与+15V对称，以确保运放LM324的正、负供电电源对称。最后测量-12V电压。
用示波器分别测光耦的输入、输出、LS7084的两路输入信号、UP／DN输出、CLK输出波形以及正反转指示灯是否指示正确。当编码器正转时，UP／DN应输出高电平，红色发光二极管点亮；反之，低电平，绿色发光二极管点亮。CLK输出波形应能观察到负尖脉冲。
将LM331的1脚的拨码开关选择100 k档，编码器的输入频率选择10．8 kHz，用万用表测量输出电压。分别调节两路输出电压的电位器，测量两路输出电压是否反相，数值是否正确。其中，顺时针调节电位器，幅值减小，反之增大。注意，运放的实际输出电压值可能跟理论计算值存在误差，这时，首先检查运放的正、负电源是否对称，平衡电阻是否选择正确，若均无误，则应多次调节电位器，使误差最小。调试完成后，断电。

4 结束语
经过系统的最终调试，本电路作为增量式光电编码器输出信号的处理电路是合适的，并且能够保证信号输出的稳定和精度。实践证明，此电路简单、可靠，具有一定的实用价值。