增量式光電編碼器信號處理電路的設計與實現(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)一系列處理轉化成電壓信號的情況。因此，以2RHIB型光電編碼器為例，設計了一種集編碼器信號接收、光電隔離、鑒相、頻率電壓轉化和電壓調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。
關鍵詞：2RHIB型光電編碼器；光電隔離；鑒相；頻率電壓轉換；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換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(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換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相。
在實際應用中，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，設計了一種集光電隔離、鑒相、頻率電壓轉換、電壓調整輸出等功能于一體的綜合性電路。該電路組成簡單、調整方便、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線驅動適應于長電纜”(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、頻率電壓轉換模塊、電壓調整模塊組成。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)品的信號轉換應用要求。同時，為了滿足不同應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。總設計框圖如圖1所示。

2．1 光電隔離模塊設計
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，所以在設計電路時應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)過反復實驗，最終選擇510Ω。
2．2 鑒相模塊設計
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，B相超前則反轉。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還是反轉。
本電路中LS7084可選擇X1或X4模式。電路工作在X1模式時，編碼器一個周期內產(chǎn)生一個輸出脈沖，直接進入轉換電路；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的細分模式進入轉換電路。具體視實際應用情況而定。
2．3 頻率電壓轉換模塊設計
本電路設計將光電編碼器輸出的頻率信號轉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換芯片LM331。

2．3．1 LM331簡介
LM331可用作精密的頻率電壓(F／V)轉換器、A／D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其他相關的器件。內置溫度補償能隙基準電源，在整個工作溫度范圍內都具有很高的轉換精度和溫度穩(wěn)定性。且頻率適應范圍寬(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，其內部結構框圖如圖2所示。