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四倍频细分电路(含波形图)时间：2010-06-12 05:00:19 来源：作者：1.光电编码器原理光电编码器，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。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。
给出一种新的光栅位移传感器的四倍频细分电路设计方法.采用可编程逻辑器件(CPLD)设计了一种全新的细分模块，利用Verilog HDL语言编写四倍频细分、辨向及计数模块程序,并进行了仿真.仿真结果表明，与传统方法相比，新型的设计方法开发周期短，集成度高，模块化，且修改简单容易．关键词：光栅位移传感器；四倍频细分；可编程逻辑器件(CPLD)光栅位移传感器是基于莫尔条纹测量的一种传感器，要提高其测量分辨率，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节．在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度．四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路.能够实现四倍频的电路结构很多，但在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高,使传感器整体性能下降．作者在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的四倍频电路实现方案，并对这两种方案的结构和使用方法进行了比较和仿真．1 四倍频电路设计原理光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B.如图l所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数．光栅信号A，B有以下关系．①当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：00→10→11→01→00．这样,如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数,一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数．②当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：00→01→11→10→00．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数．③当线路受到干扰或出现故障时,可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作．综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图(见图2)，其中“+”、“-”分别表示计数器加／减1,“0”表示计数器不动作．2 传统模拟细分电路传统的倍频计数电路如图3所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路3部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器LM339组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管T a和Tb上，它们输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，从LM339输出电压信号Ua,Ub整形后送到辨向电路中．芯片7495的数据输入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脉冲由单片机的ALE端提供．然后信号经过与门Y1,Y2和或门E1，E2，E3组成的电路后，送到由2片74193串联组成的8位计数器．单片机通过P1口接收74193输出的8位数据，从而得到光栅的位置采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降．3 基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计采用CPLD实现光栅传感器信号的处理示意图如图4所示，即将图3中3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片CPLD芯片中，实现高集成化.由于工作现场的干扰信号使得光栅尺输出波形失真，所以将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入CPLD，由CPLD对脉冲信号计数和判向，并将数据送入内部寄存器．3．1 CPLD芯片的选择CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX7000系列产品EPM7128S，该芯片具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点，可用门单元为2 500个，管脚间最大延迟为5μs工作电压为+5 V.仿真平台采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ进行开发设计．3．2 四细分与辨向电路四细分与辨向模块逻辑电路如图5所示，采用10MB晶振产生全局时钟CLK，假设信号A超前于B时代表指示光栅朝某一方向移动，A 滞后于B时表示光栅的反方向移动．A，B信号分别经第一级D触发器后变为A＇，B＇信号，再经过第二级D触发器后变为A″，B″信号．D 触发器对信号进行整形，消除了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A，B，因而提高了系统的抗干扰性能．在四倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑器件对A＇A″，B＇B″信号进行逻辑组合得到两路输出脉冲：当A超前于B时，ADD为加计数脉冲，MIMUS保持高电平；反之，当A滞后于B时，ADD保持高电平,MINUS为减计数脉冲．对比图5和图2可以看出，新型设计方法使用的器件数较传统方法大大减少，所以模块功耗显著降低.系统布线在芯片内部实现，抗干扰性强.由于采用的是可编程逻辑器件，对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可，不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板，使得系统的升级和维护的便捷性大大提高.4 四倍频细分电路模块的仿真根据图2所示的状态转换图，利用硬件描述语言Verilog HDL描述该电路功能，编程思想为将A，B某一时刻的信号值的状态合并为状态的判断标志state，并放入寄存器prestate．当A，B任一状态发生变化时，state值即发生改变，将此时的state值与上一时刻的prestate 进行比较，则能根据A，B两个脉冲的状态相对变化确定计数值db的加减，得出计数器输出值的加减标志．仿真结果如图6所示．当信号A上跳沿超前于B时，计数值db进行正向计数；当A上跳沿滞后于B时，计数值db进行反向计数．即db将细分、辨向、计数集于一身，较好地实现了光栅细分功能．比较图3和图5可以看出，用FPGA设计信号处理模块，设计过程和电路结构更加简洁.另外,在应用中需注意FPGA时钟周期应小于光栅信号脉冲的1／4.5 结论①新型设计方法结构简单，集成度高，比传统设计方法所用器件数大大减少．②集成化设计使系统功耗降低，抗干扰性增强．③用Verilog HDL设计电路，改变电路结构只需修改程序即可，且系统维护和升级的便捷性提高．。
测控电路论文
学 院 物理电子工程学院
专 业 电子信息工程
年 级 14级电子信息工程班 姓 名 张幸博
课程名称 测控电路论文
论文题目 四细分辩向电路 指导教师 马建忠
成 绩
2016年12月17日
学号：
目录
1.信号细分与辩向的原因 (1)
2.直传式细分 (1)
3.逻辑门组成 (1)
3.1与门 (1)
3.2或门 (2)
3.3非门 (2)
4.单稳态触发器 (2)
4.1单稳态触发器的特点 (3)
4.2单稳态触发的过程 (3)
5.四细分辨向电路 (4)
5.1细分过程 (4)
5.2辩向过程 (5)
6.仿真部分 (5)
7心得体会 (7)
8参考文献 (7)
四细分辩向电路
摘要：四细分辩向电路主要包括完成细分和辩向的功能，细分是基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据来完成的。
主要包括单稳态触发器部分和逻辑门组合部分。
1.信号细分与辩向的原因
信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。
测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。
为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。
细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。
高分辨力是高精度的必要条件。
由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。
2.直传式细分
直传式细分直接利用位移信号进行细分，称其为直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因为它可以由若干细分环节串联而成，其原理如图1所示。
图1 直传式细分原理图
系统总的灵敏度K s为各个环节灵敏度K j(j=1~m)之积，如果个别环节灵敏度K j发生变化，它势必引起系统总的灵敏度的变化。
3.逻辑门组成
3.1与门
与门又称“与电路”。
是执行“与”运算的基本逻辑门电路。
有多个输入端，一个输出端。
当所有输出同时为高电平时，输出才为高电平，否则输出为低电平。
图2为二输入与门符号及功能表：
图2二输入与门符号及功能表
3.2或门
或门又称或电路。
如果几个条件中，只要有一个条件满足要求，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。
具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。
或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个二输入或门构成。
只要有一个输入端为高电平时，输出就为高电平；只有所有输入全为低电平时，输出才为低电平。
图3为二输入或门的符号及功能表：
图3二输入或门的符号及功能表
3.3非门
非门又称反相器，是逻辑电路的基本单元，非门有一个输入和一个输出端。
逻辑符号中输出端的圆圈代表反向的意思。
当其输入端为高电平时输出端为低电平，输入端为低电平时，输出高电平。
也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反向的。
图4为非门的符号及功能表：
图4 非门的符号及功能表
通过基本逻辑门进行组合逻辑电路的设计，达到四细分辩向电路的要求。
4.单稳态触发器
单稳态触发器分为积分型单稳态触发器和微分型单稳态触发器，主要由电容
在电路中的位置决定电容充放电的时间和顺序来分析，此次我们使用积分型单稳态触发器。
4.1单稳态触发器的特点
电路有一个稳态、一个暂稳态。
在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。
暂稳态不能长久保持，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。
暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。
图5为积分型单稳态触发器。
图5单稳态触发器
4.2单稳态触发的过程
没有触发信号，电路处于稳态
A为低电平，经过DG1非门，A为高电平,电容离地端为高电平，通过与门得到A'为低电平
外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态
A由低电平跳变为高电平时，A为高电平，A为低电平，电容由于电压不会
导通，输出A'为高电平。
跳变，所以离地端仍为高电平，此时与门D
G3
电容放电，电路由暂稳态自动返回至稳态，
电容开始放电，直到电压小于与门的导通电压，A'输出为低电平。
电容越大，电容充电和放电的时间越大，产生的单次脉冲宽度越大。
后面给出仿真图。
图6单稳态触发器跳变波形图
5.四细分辨向电路
输入信号：具有一定相位差(通常为90°)的两路方波信号。
细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分
辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分，图7为单稳四细分总电路图。
图7 单稳四细分变相电路
5.1细分过程
A、B是两路相位差90︒的方波信号,传感器正向移动时和传感器反向运动时波形图分别见图8左部分和图8右部分。
传感器正向移动时，设A导前B(波形见图8左部分)，当A发生正跳变时，由非门D
G1
、电阻R1、电容C1和与门D G3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A'，此时B̅为高电平，与或非门D G5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或非门D G10无计数脉冲输出。
当B发生正跳变时，由非门D G6、电阻R3、电容C3和与门D G8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B'，此时A为高电平，D G５有计数脉冲输出，D G10仍无计数脉冲输出。
当A发生负跳变时，由非门D G2、电阻R2、电容C2和与门D G4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A′̅，此时B为高电平，与或非门D G5有计数脉冲
输出，D
G10
无计数脉冲输出。
当B发生负跳变时，由非门D G7、电阻R4、电容C4和
与门D
G9
组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B′̅，此时A为高电平，D G5有计数脉冲输
出，D
G10无计数脉冲输出。
这样，在正向运动时，D
G5
在一个信号周期内依次输出
A'、B'、A′̅、B′̅四个计数脉冲，实现了四细分。
在传感器反向运动时（波形见图8右部分），由于A、B的相位关系发生变化，B导前A，这时D
在一个信号周期内输出A′̅、B'、A'、B′̅四个计数脉冲，这四个G10
计数脉冲分别出现在B̅、A、B、A为高电平的半周期内，同样实现了四细分。
D G5、D
随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号Ｕo1、U o2可直接送入标准系列可逆G10
计数集成电路（例如74LS193），实现辨向计数。
图8单稳四细分辩向电路波形图
5.2辩向过程
辨向：如果A'出现在B为负的半周期，则A滞后于B,正向运动；如果A'出
现在B为正的半周期，则A超前于B,反向运动。
正向：A'出现在B为负的半周期，B'出现在A为正的半周期，A'出现在B为
正的半周期，B '出现在A为负的半周期。
反向：B '出现在A为负的半周期，A'出现在B为正的半周期，B '出现在A
为正的半周期，A'出现在B为负的半周期，如下图示。
图9 辩向波形图
6.仿真部分
由于脉冲发生器的0时刻输出为所设定0—5V的高电平，所以正向时A、B
的延迟时间分别为为50ms、75ms，A、B周期皆为100ms，所以此时A超前B，相
位差为90°：反向时A、B的延迟时间分别为50ms，25ms，此时B超前A，相位
差依旧为90°。
图10 单稳态触发器波形跳变电路正向时仿真波形
图11 正向时仿真波形反向时仿真波形
图12 反向仿真波形
总体仿真波形图如下
图13 四细分辩向电路仿真图
7心得体会
通过本次论文的制作过程，首先要了解单稳态触发器的工作原理，了解以后在电脑上进行仿真，单稳态触发器仿真过程中使用与门74LS09无法产生单次脉冲，后改用74LS08正常，经查询后得知74LS09为集电极开路门即OC门。
为了更深一步的了解OC门和OD门以及74LS、74S、74HC系列的区别，必须了解基本逻辑门，再往深入了解，又必须掌握模拟电子技术的知识，所以要从基本模拟电子技术开始逐层累积才能构建出牢固的电子知识体系。
以下为一些此次使用器件工作电压的参数区间。
TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。
最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。
TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。
8参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础[M].第5版.北京：清华大学出版社，2006.5：278—311.
[2]李醒飞.测控电路[M].第5版.北京：机械工业出版社，2016.1：197—199.
[3]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.。
