增量式光電編碼器信號處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc／3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1加有Vcc的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc／3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對電容CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到2Vcc／3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路Rt、Ct決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多，輸出電壓(電容CL兩端的電壓)就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的變換。其中，輸出電壓Vo與fi的關(guān)系為：
Vo=-2．09RLRtCt／Rs (1)
R3的取值為：
R3=(Vcc-2 V)／0．2 mA (2)
電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器，但電容C1小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓Vo的紋波會小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。
在具體應(yīng)用時(shí)需注意，輸入頻率脈沖信號經(jīng)RC微分電路加至LM331內(nèi)的輸入比較器，脈沖下降沿有效，而LS7084的CLK輸出端已是負(fù)尖脈沖信號，所以LM331的6腳和8腳之間無須接微分電路?？紤]到同一型號編碼器有不同的分辨率，本電路中，在LM331的1腳輸出端專門設(shè)計(jì)了四位SW3撥碼開關(guān)電路，分別連接不同的電阻，即RL可以取10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。電阻選擇方法如下。
1)計(jì)算輸入頻率：
fi=最高轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)／分鐘)÷60x編碼器分辨率(Pules／Review．) (3)
注意：輸入頻率不得超過100 kHz。
2)計(jì)算電阻值：
R=109÷(fix1．895) (4)
選擇低于并最接近所計(jì)算出來的電阻值的電阻，也可以選擇多個(gè)電阻并聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)置。
2．4 其他部分電路設(shè)計(jì)
電源部分將24 V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成±15 V，+5 V，-12 V，用以給整個(gè)電路中的各個(gè)芯片供電。其中，專業(yè)電源轉(zhuǎn)換芯片LT1111構(gòu)成反極性降壓電路，輸出-15V。
編碼器輸入信號部分針對2RHIB型光電編碼器的4種不同輸出信號，采用不同的接受信號芯片，從而進(jìn)行后續(xù)處理。輸入信號選擇的缺省連接為“TP-標(biāo)準(zhǔn)”或“TP-差分”。
電壓調(diào)整部分采用LM324運(yùn)放，對LM331輸出的電壓根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。本電路設(shè)計(jì)了兩路電壓輸出，互為反相。其中，兩路輸出電壓均為可調(diào)。

3 電路調(diào)試
準(zhǔn)備萬用表、示波器和平口螺絲刀。按編碼器上各個(gè)顏色的線的定義正確接線，檢查電路板下沒有雜物，附近沒有熱源。檢查完畢確保無誤，給電路上電。
用萬用表測量電源部分的+15 V，+5 V電壓是否正確。若不正確，檢查相關(guān)電路。然后，用螺絲刀調(diào)節(jié)LT1111芯片8腳輸出端的電位器，使輸出-15 V。注意，-15 V的數(shù)值應(yīng)與+15V對稱，以確保運(yùn)放LM324的正、負(fù)供電電源對稱。最后測量-12V電壓。
用示波器分別測光耦的輸入、輸出、LS7084的兩路輸入信號、UP／DN輸出、CLK輸出波形以及正反轉(zhuǎn)指示燈是否指示正確。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，UP／DN應(yīng)輸出高電平，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；反之，低電平，綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮。CLK輸出波形應(yīng)能觀察到負(fù)尖脈沖。
將LM331的1腳的撥碼開關(guān)選擇100 k檔，編碼器的輸入頻率選擇10．8 kHz，用萬用表測量輸出電壓。分別調(diào)節(jié)兩路輸出電壓的電位器，測量兩路輸出電壓是否反相，數(shù)值是否正確。其中，順時(shí)針調(diào)節(jié)電位器，幅值減小，反之增大。注意，運(yùn)放的實(shí)際輸出電壓值可能跟理論計(jì)算值存在誤差，這時(shí)，首先檢查運(yùn)放的正、負(fù)電源是否對稱，平衡電阻是否選擇正確，若均無誤，則應(yīng)多次調(diào)節(jié)電位器，使誤差最小。調(diào)試完成后，斷電。

4 結(jié)束語
經(jīng)過系統(tǒng)的最終調(diào)試，本電路作為增量式光電編碼器輸出信號的處理電路是合適的，并且能夠保證信號輸出的穩(wěn)定和精度。實(shí)踐證明，此電路簡單、可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。