第２０卷 第２期 电子设计工程 ２０１２年１月 Ｖ０１．２Ｏ Ｎｏ．２ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊａｎ．２０１２ 增量式光电编码器信号处理电路的设计与实现 王直 ，施晓敏 ，丁建军 ，王刘柱 （１．江苏科技大学电信学院，江苏镇江２１２００３；２．中船重工第七零四研究所上海２０００３１） 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 中图分类号：ＴＮ７６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）Ｏ２—０１２１—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ＷＡＮＧ Ｚｈｉ ，ＳＨＩ Ｘｉａｏ－ｍｉｎ ，ＤＩＮＧ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ：，ＷＡＮＧ Ｌｉｕ・ｚｈｕ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＥｎ＃ｎｅｅ￣ｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｗｅ￣ｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ ７０４ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏＣＳＩＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｔｏ ａ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａ１．Ｔａｋｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ｏｆ ２ＲＨＩＢ ｔｙｐｅ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｅｎｃｏｄｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ｐｈａｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｌａｌ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｅｘｐｌｉｃｍｅｄ．Ｉｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｖａｉｌａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｏｐｅｒａｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ｏｆ ２ＲＨＩＢ ｔｙｐｅ；ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＬＭ３３ｌ 目前，在现代电子工业中，光电编码器作为传感手段被 ２６Ｃ３１）的差分信号。在５ ＶＩ作电压下可以兼容ＲＳ－４２２ Ａ。低 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 压输出＜０．４ Ｖ。 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 ２光电编码器输出信号处理电路设计 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 此电路由电源模块、编码器的信号输入模块、光电隔离 和Ｚ相。 模块、鉴相模块、频率电压转换模块、电压调整模块组成。以 在实际应用中，光电编码器的输出信号往往不能被直接 ＳＣＡＮＣＯＮ的２ＲＨＩＢ光电编码器为模型，可以满足该型号不同 采用，需要对此进行相应的拓展电路处理。文中针对丹麦 输出信号、不同分辨率的产品的信号转换应用要求。同时，为 ＳＣＡＮＯＮ公司的２ＲＨＩＢ型号的光电编码器．设计了一种集光 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 电隔离、鉴相、频率电压转换、电压调整输出等功能于一体的 了两路电压信号输出．互为反相。总设计框图如图１所示。 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。 匝 １光电编码器 ＿．｛电源模块Ｈ 一标准 一差分卜叫垄皇塑壹．ＴＰ／ＴＰ 堕 Ｆ 三二－｛ 玉囝ｌ ｌ亡 巫 ０Ｌ７２７２缦驱动 Ｉ ＦＩＩ 采用丹麦ＳＣＡＮＯＮ公司的２ＲＨＩＢ型通心轴增量式编码 电压眄路输出，也器。该编码器有４种输出信号标准：１）“ＴＰ一标准”（Ｎｏｒｍａｌ， 匝圃 ．．．雾 鞣ｌ±． ． ＴＰ—Ｓｔｎａｄａｒｄ）信号，输出信号为３通道输出：Ａ、Ｂ、Ｚ通道，即单 图１电路总设计框图 通道或ＴＰ（方波输出）标准通道。２）“ＴＰ一差分”（ＴＰ— Ｆｉｇ．１ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉ１ａ）信号，输出信号为６通道：Ａ、Ｂ、Ｚ通道和反向Ａ、 ２．１光电隔离模块设计 反向Ｂ、反向Ｚ通道。３）“０Ｌ７２７２线驱动适应于长电缆”（Ｌｉｎｅ 由于光电编码器的频率较高。为提高系统的抗干扰能 ｄｒｉｖｅｒ ＯＬ ７２７２ ｆｏｒ ｅｘｔｒａ ｌｏｎｇ ｃａｂｌｅ）的差分信号，传输距离可 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 达１００ ｍ。４）“用２６Ｃ３１芯片的线驱动电路”（Ｌｉｎｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｈｉｐ 频率电压转换。本电路中采用光耦ＴＰＬ５２１—２以实现对于脉冲 收稿日期：２０１１－１１－２８ 稿件编号：２０１１１１１３５ 信号的光电隔离［２１。 作者简介：王直（１９６３一），男，江苏盐城人，硕士，教授。研究方向：信号与信息处理，智能控制。 一１２１— 《电子设计工程））２０１２年第２期 由于选择的ＴＰＬ５２１—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５１Ｏ Ｑ。 ２．２鉴相模块设计 ＤＴＬ和ＣＭＯＳ等不同的逻辑电路。各引脚功能如下：脚ｌ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，风越小，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 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Ⅳ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 态输出脉宽 ，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～ ４０ Ｖ ＤＣ。 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目。而是选用了 ２．３．２频率电压转换 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ＸＩ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。 图２ ＬＭ３３１内部结构框图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｍａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＬＭ３３１ 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ＴｒＬ、 一１２２－ 由ＬＭ３３１构成的精密频率电压转换电路如图３所示。 ｖｃｃ 图３ Ｆ／Ｖ精密转换电路 Ｆｉｇ．３ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 输入脉冲 经 。、Ｃ，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Ｒ 、Ｒ，分压而加有 约２Ｖ ／３的直流电压，反相输入端经电阻 。加有 的直流电 压。当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路 、Ｃ 产生一负 尖脉冲叠加到反相输入端的 。上，当负向尖脉冲大于 。 ／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，Ｒ对电容Ｃ 充电，同时因复零晶体管截止而 使电源 通过电阻足对电容ｃＩ充电。当电容ｃＬ两端电压达到 ２Ｖ ／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 放电，同时，复零晶体管导通， 定时电容Ｃ＿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尺 、ｃＩ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Ｃ 上积 累的电荷就越多，输出电压（电容 两端的电压）就越高，实 现了频率电压的变换 。其中，输出电压 。与 的关系为： Ｖｏ＝一２．０９ＲＬＲ ＣＩ／Ｒ （１） 的取值为： Ｒ３＝（Ｖ 一２ Ｖ）／０．２ ｍＡ （２） 电容Ｃ 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Ｃｌ，Ｊ、些有利于提高转换 电路的抗干扰能力。电阻Ｒ 和电容ＣＩ兰Ｊ且成低通滤波器。电容Ｃ 王直．等 增量式光电编码器信号处理电路的设计与实现 大些，输出电压 。的纹波会小些，电容ＣＬ，Ｊ、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。 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。 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Ｉ＿５７０８４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， ４结束语 本电路中．在ＬＭ３３１的ｌ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，ＩＩｌＩＲ￡可以取１０ ｋｆｔ、５０ ｋ１）、 １００ ｋｌｌ、５００ ｋＱ。电阻选择方法如下。 １）计算输入频率： 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１０ｏ ｋＨｚ。 ２）计算电阻值： ＝ｌ０ （ １．８９５） （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：１：１５ Ｖ，＋５ Ｖ，一１２ 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，输出一１５ Ｖ。 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“ ｒＰ一标准”或“ Ｉ１）一差分”。 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，使输出一１５ Ｖ。注意，一１５ Ｖ的数值应与＋１５ Ｖ对称，以确保运放ＬＭ３２４的正、负供电电源对称。最后测量一 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 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。 参考文献： ［１】王显军．光电编码器的应用一分类源于角度测量基准［Ｊ】． 光机电信息，２０１０，２７（１０）：２２—２７． ＷＡＮＧ Ｘｉａｎ－ｊｕｎ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｅｏｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ—ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１０，２７（１０）：２２－２７． ［２】李劲松．实轴增量式光电编码器测量电￣ｆ－￣Ｊ设计［Ｊ】．实验 室研究与探索。２００７，２６（２）：１２—１４． ＬＩ Ｊｉｎ－ｓｏｎｇ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄａｘｅｓ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｉｒｃ ｅｎｃｏｄｅ￣Ｊ］．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ， ２００７，２６（２）：１２－１４． 【３】徐海，胡荣贵，张东．基于单片机的旋转编码器鉴相方法 研究［Ｊ】．微型机与应用，２０１０（１３）：２０－２３． ＸＵ Ｈａｉ，ＨＵ Ｒｏｎｇ－ｇｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｄｏｎｇ．１１ｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｅｎｃｏｄｅｒ’Ｓ ｐａｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ【Ｊ］． Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎａｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０（１３）：２０—２３． ［４］林汉．ＬＭ３３１ｆｆ，￣变换器的原理及应用【Ｊ】．电子设计工程， １９９９（１０）：２０—２２． ＬＩＮ Ｈａｎ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ＬＭ３３１ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９（１０）： ２０－２２． 【５】陈佳星，龙显彪．射线探测仪器的高压电源研制及性能改 进［Ｊ］．湖南农机，２０１０，３７（１）：２８—３０． ＣＨＥＮ Ｊｉａ－ｘｉｎｇ，ＬＯＮＧ Ｘｉａｎ－ｂｉａｏ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｓｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ，２０１０，３７（１）： ２８－３０． ［６］谭建军．一款基于ＬＭ３２４集成运放廉价高性能仪用放大器 ［Ｊ］．电讯技术，２００４（３）：１６０－１６２． ＴＡＮ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ．Ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔｌａ ａｍｐｌｆｉｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＭ３２，￣Ｊ］．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００４（３）：１６０—１６２． 一１２３—
