可區(qū)分粗細(xì)的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)

本文介紹了一種針對(duì)人們將旋轉(zhuǎn)編碼器用于控制時(shí)經(jīng)常遇到的“粗/細(xì)”問題的靈活解決方案。誰說必須使用微處理器才能增加智能？

與普通面板安裝式電位計(jì)的尺寸和形狀相仿，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器提供了一種模擬電位計(jì)的“數(shù)字”廉價(jià)替代品。這種編碼器通常用在音視頻設(shè)備、環(huán)境控制、消費(fèi)類電器、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、科學(xué)儀器等設(shè)備中完成電平控制、調(diào)諧和定時(shí)器設(shè)置。

增量型編碼器的輸出一般由兩個(gè)相位上正交(即相移為四分之一周期)的信號(hào)組成，軸每旋轉(zhuǎn)一次會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)的增量。編碼器內(nèi)部有兩個(gè)開關(guān)連接到公共端。這個(gè)公共端通常連接到地，如圖1所示，而兩個(gè)正交輸出連接到上拉電阻(R1和R2)。

圖1：自適應(yīng)接口電路響應(yīng)編碼器的快速旋轉(zhuǎn)，并據(jù)此增加輸出脈沖速率。

圖1陰影部分電路是用于實(shí)現(xiàn)正交編碼的典型編碼器接口。其中R3-C1和R4-C2提供噪聲濾除和觸點(diǎn)去抖，同時(shí)由施密特NAND IC1a和IC1b在A點(diǎn)和B點(diǎn)產(chǎn)生“完整的”數(shù)字信號(hào)。與編碼器輸出一樣，這些信號(hào)的相位差也是90度：當(dāng)編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)A的上升沿領(lǐng)先信號(hào)B上升沿四分之一周期；當(dāng)編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)B領(lǐng)先信號(hào)A四分之一個(gè)周期。

將信號(hào)A發(fā)送至觸發(fā)器IC2a的D輸入端，用信號(hào)B的上升沿作為觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)鐘，那么當(dāng)編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，Q端的輸出信號(hào)變高；當(dāng)編碼器逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，Q端的輸出信號(hào)變低，從而指示旋轉(zhuǎn)的方向。信號(hào)A或B都可以用作增量脈沖。例如，如果編碼器是20增量類型，那么軸每轉(zhuǎn)360度A或B點(diǎn)的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生20個(gè)脈沖。

在任一時(shí)刻只有少量編碼器旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中簡單接口電路可以工作的很好。然而，在要求數(shù)百甚至上千的增量脈沖情況下這種接口電路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，考慮1000個(gè)脈沖要通過時(shí)鐘進(jìn)入計(jì)數(shù)器的應(yīng)用。20增量型編碼器需要旋轉(zhuǎn)50次才能產(chǎn)生這么多脈沖，這是非常耗時(shí)和費(fèi)力的任務(wù)！

然而，只需增加另外一個(gè)集成電路(IC3，一個(gè)雙路可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器)和少量的低價(jià)元件，電路就能識(shí)別編碼器為了信號(hào)B處的每個(gè)增量脈沖產(chǎn)生多個(gè)輸出脈沖而正在快速旋轉(zhuǎn)。這個(gè)附加電路顯示在圖中的陰影區(qū)外，工作原理如下：

單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器IC3a和觸發(fā)器IC2b組成了一個(gè)簡單的速率檢測(cè)器，它能監(jiān)視B點(diǎn)信號(hào)的頻率。編碼器更快速度的旋轉(zhuǎn)將增加該信號(hào)頻率，縮短信號(hào)周期。速率檢測(cè)器能夠判斷什么時(shí)候信號(hào)周期小于由單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)元件R5和C3設(shè)定的閾值。

第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)器件IC3b與增加的R6、C4和Q1一起工作在非穩(wěn)態(tài)。定時(shí)元件R6-C4和R8-C5決定了從引腳12采集到的非穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)的頻率和占空比。

第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)器件IC3a被配置為在B信號(hào)的下降沿觸發(fā)，而觸發(fā)器IC2b的觸發(fā)時(shí)鐘是B信號(hào)的上升沿。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)速度較慢時(shí)，IC3a的Q輸出端(引腳13)信號(hào)由一系列正向脈沖組成。脈沖寬度等于：

t(w) = 0.45 × R5 × C3 (秒) (Vcc = 5V)

當(dāng)R5 = 560kΩ并且 C3 = 100nF時(shí)，t(w)標(biāo)稱值是25ms。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)很慢時(shí)，信號(hào)B的頻率很低，其周期相對(duì)較長，(在被信號(hào)B的下降沿作為時(shí)鐘觸發(fā)后)IC3a的Q輸出端信號(hào)在信號(hào)B再次變高之前已經(jīng)返回到低電平?，F(xiàn)在，由于Q驅(qū)動(dòng)IC2b的/RESET輸入，信號(hào)B在觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端(引腳11)的正跳變對(duì)輸出沒有影響，Q端(引腳9)保持低電平。繼而使IC3b的/RESET輸入端(引腳11)置低，IC3b周圍形成的非穩(wěn)態(tài)電路保持在復(fù)位狀態(tài)，最終使/Q輸出端(引腳12)處于高電平。最終結(jié)果是IC3a的Q輸出端的25ms脈沖經(jīng)選通穿過IC1d，然后被IC1c反向，電路輸出包含一系列恒定寬度的正向脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)編碼器的增量旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)編碼器慢速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電路每個(gè)增量只產(chǎn)生一個(gè)25ms的輸出脈沖。