常州大学增量式编码器方向判别和计数电路设计显示电路

• 199•引言：在自动控制领域，电编码器常用于速度与位置的检测。

增量式编码器不能直接获得转动系统的速度和位置信息，只能通过处编码器输出的两路脉冲信号来计算这两个位置的相对角度差。

本文设计了一种通用的增量式编码器计数和辨向电路，可以将编码器输出的两路脉冲信号处理为倍频脉冲信号和转向电平信号，直接进入单片机处理器进行计数和判定旋转方向。

1.编码器接口电路原理增量式编码器跟随电机转动时，会输出 A 、B 两路脉冲信号，相位相差90°。

脉冲的个数代表转动角度，频率代表转动速度，A 、B 两相信号的超前或者滞后关系代表编码器的转动方向，如图1所示。

图1 增量式编码器信号输出2.编码器接口电路设计及仿真增量式编码器接口电路由积分电路、两个施密特非门电路、四个异或门电路和三个D 触发器组成，如图2所示。

一种增量编码器的接口电路设计湖南铁道职业技术学院 刘 彤 赵巧妮集美大学轮机工程学院 刘 传图2 增量式编码器接口电路A 、B 两相信号分别与各自经过积分电路的信号做异或运算，在A 相信号发生变化时，异或门U3A 输出端口将产生一个跳变沿，B 相信号发生变化时，异或门U3B 输出端口也将产生一个跳变沿。

异或门的跳变沿输出信号分别接入两个D 触发器的时钟触发端，为信号的判读提供时钟。

当A 相异或输出信号U3A 为D 触发器U4A 提供时钟脉冲，A 、B 两相信号进行异或经U3C 输出到D 触发器U4A 的D 端口。

如果A 相信号超前B 相信号90度，D 触发器U4A 的Q 端输出低电平的转动方向信号，如图3所示。

• 200•图3 A相超前B相90度方向信号仿真如果A 相信号滞后B 相信号90度，D 触发器U4A 的Q 端输出高电平的转动方向信号，如图4所示。

图4 B相超前A相90度方向信号仿真A 相跳变沿信号输出接D 触发器U5B 时钟触发端，B 相信号接U5B 的D 输入端，B 相跳变沿信号输出接D 触发器U5A 时钟触发端，A 相信号接U5A 的D 输入端，D 触发器U5A 和U5B 的输出端经异或门电路U3D ，在跳变沿的时钟下严格输出倍频信号，增加了计数脉冲数量，提高测量精度，倍频仿真波形如图5所示。

增量式编码器的应用原理1. 什么是增量式编码器？增量式编码器是一种测量旋转或线性运动的设备，它通过检测位置变化的脉冲数来确定运动的大小和方向。

它通常由旋转编码器和线性编码器组成。

2. 旋转编码器的工作原理旋转编码器是一种传感器，常见的类型包括光电式编码器和磁式编码器。

下面以光电式编码器为例，介绍旋转编码器的工作原理。

2.1 光电式编码器的组成光电式编码器由光源、光电传感器和编码盘组成。

编码盘上有一系列的透明和不透明的刻线，光源照射在编码盘上，光电传感器接收到反射回来的光信号。

2.2 光电式编码器的工作原理当旋转编码器转动时，光线会在透明和不透明的刻线之间交替，光电传感器会依次感受到光和暗。

根据光电传感器感受到的光和暗的变化情况，可以计算出旋转的角度。

2.3 旋转编码器的输出信号旋转编码器的输出信号通常是一个脉冲序列，每个脉冲对应着编码器转动的一个固定角度。

通过计算脉冲数，可以确定旋转的相对位置和方向。

3. 线性编码器的工作原理线性编码器用于测量线性运动，常见的类型包括光栅尺和线性光电编码器。

下面以光栅尺为例，介绍线性编码器的工作原理。

3.1 光栅尺的组成光栅尺由导轨、刻线、读取头和光电传感器组成。

刻线是一系列的透明和不透明的线条，读取头安装在测量目标上，光电传感器接收到反射回来的光信号。

3.2 光栅尺的工作原理当测量目标移动时，光线会在透明和不透明的线条之间交替，光电传感器会依次感受到光和暗。

根据光电传感器感受到的光和暗的变化情况，可以计算出线性运动的大小。

3.3 线性编码器的输出信号线性编码器的输出信号通常是一个脉冲序列，每个脉冲对应着线性运动的一个固定距离。

通过计算脉冲数，可以确定线性运动的相对位置和方向。

4. 增量式编码器的应用增量式编码器广泛应用于机械设备和自动化控制系统中，常见的应用场景包括：•位置测量：增量式编码器可以用于测量机械装置的位置，例如机械臂的关节角度。

•速度测量：通过对增量式编码器的脉冲数进行计数，可以计算出机械装置的运动速度。

实验三编码器、译码器及应用电路设计一、实验目的：1、掌握中规模集成编码器、译码器的逻辑功能测试和使用方法；2、学会编码器、译码器应用电路设计的方法；3、熟悉译码显示电路的工作原理。

二、实验原理：1、什么是编码：教材说：用文字、符号、或者数字表示特定对象的过程称为编码具体说：编码的逻辑功能是把输入的每个高、低电平信号编成对应的二进制代码2、编码器74LS147的特点及引脚排列图：74LS147是优先编码器，当输入端有两个或两个以上为低电平，它将对优先级别相对较高的优先编码。

其引脚排列图：3、什么是译码：译码是编码的逆过程，把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出，译码器广泛用于代码转换、终端的数字显示、数据分配、组合控制信号等。

译码器按照功能的不同，一般分为三类：（1）变量译码器（用以表示输入变量的状态）74LS138的特点及其引脚排列图：ABC是地址输入端，Y0—Y7是输出端，G1、G2A’、G2B’为使能端，只有当G1=G2A’=G2B’=1时，译码器才工作。

（2）码制变换译码器：用于同一个数据的不同代码之间的相互转换，代表是4—10线译码器译码器74LS42的特点及其引脚排列图：译码器74LS42的功能是将8421BCD码译成10个对象其原理与74LS138类同，只不过它有四个输入端，十个输出端，4位输入代码0000—1111十六种状态组合其中有1010—1111六个没有与其对应的输出端，这六组代码叫做伪码，十个输出端均为无效状态。

（3）数码显示与七段译码驱动器：将数字、文字、符号的代码译成数字、文字、符号的电路a、七段发光二极管数码显示管的特点：（共阴极）b、七段译码驱动器：此类译码器型号有74LS247（共阳）、74LS248（共阴）、CC4511（共阴）等等，本实验采用CC4511BCD码（锁存／七段译码／驱动器）来驱动共阴数码管。

图6—5为CC4511引脚排列：4、在本数字电路实验装置上已完成了译码器74LS48和数码管之间的连接图。

增量型编码器工作原理
增量型编码器是一种常用于测量旋转角度或线性位置的传感器。

它们是通过检测旋转轴或运动杆上的离散位置变化来工作的。

增量型编码器主要由两个部分组成：旋转码盘或线性刻度和光电传感器。

旋转码盘通常由一个圆盘构成，上面有固定间距的刻度线。

这些刻度线可以是光学或磁性的。

光电传感器放置在旋转轴的旁边，可以对刻度线进行检测。

当旋转码盘旋转时，刻度线会经过光电传感器的光束。

光电传感器会根据刻度线的通过情况来生成一个脉冲信号。

每次刻度线通过光电传感器时，它会生成一个脉冲。

通过统计脉冲的数量，我们可以计算出旋转编码器的旋转角度或线性位移。

通常，旋转编码器的每个完整旋转提供一个特定的脉冲数量，可以称为分辨率。

为了提高测量精度，增量型编码器通常还包括一个方向信号。

方向信号指示旋转编码器的旋转方向，通常是一个电平信号，用于判断是顺时针旋转还是逆时针旋转。

可以通过读取脉冲信号和方向信号来实时监测旋转编码器的旋转状态，并将其转换为实际的旋转角度或线性位移。

总结来说，增量型编码器通过检测旋转码盘上的刻度线通过光
电传感器生成脉冲信号来测量旋转角度或线性位移。

这些脉冲信号可以通过计数来确定位置，并通过方向信号确定旋转方向。

增量式编码器工作原理超详细图解返回列表←增量式编码器工作原理超详细图解文章来源：发布时间：2019/04/12 点击数：3123 旋转编码器是由光栅盘（又叫分度码盘）和光电检测装置（又叫接收器）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。

由于光栅盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置（接收器）上，光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号的变化输出。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料等。

玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高。

金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性也比玻璃的差一个数量级。

塑料码盘成本低廉，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

编码器以信号原理来分，有增量式编码器（SPC）和绝对式编码器（APC），顾名思义，绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置，而增量式编码器可以输出编码器从预定义的起始位置发生的增量变化。

增量式编码器需要使用额外的电子设备（通常是PLC、计数器或变频器）以进行脉冲计数，并将脉冲数据转换为速度或运动数据，而绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号。

综上所述，增量式编码器通常更适用于低性能的简单应用，而绝对式编码器则是更为复杂的关键应用的最佳选择--这些应用具有更高的速度和位置控制要求。

输出类型取决于具体应用。

1、增量式旋转编码器工作原理增量式旋转编码器通过两个光敏接收管来转化角度码盘的时序和相位关系，得到角度码盘角度位移量的增加（正方向）或减少（负方向）。

增量式旋转编码器的工作原理如下图所示。

图中A、B两点的间距为S2，分别对应两个光敏接收管，角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。

当角度码盘匀速转动时，可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理，当角度码盘变速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。

增量式编码器的工作原理————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：增量式编码器的工作原理增量式编码器的工作原理如图1所示。

它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。

在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。

鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。

工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。

当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。

主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。

图1 增量式编码器工作原理图2 光电编码器的输出波形光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。

当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。

光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。

光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：α=360°/n（1）分辨率=1/n（2）例如：码盘边缘的透光槽数为 1 024个，则能分辨的最小角度α=360°/1 024=0.352°。

为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组对应的光敏元件，如图1中的A、B光敏元件，有时也称为cos、sin 元件。

当检测对象旋转时，同轴或关联安装的光电编码器便会输出A、B两路相位相差90°的数字脉冲信号。

1．工作原理旋转编码器是一种采用光电等方法将轴的机械转角转换为数字信号输出的精密传感器，分为增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器。

光电增量式编码器的工作原理如下：随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀刻制的光栅，在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。

增量式编码器没有固定的起始零点，输出的是与转角的增量成正比的脉冲，需要用计数器来计脉冲数。

每转过一个透光区时，就发出一个脉冲信号，计数器当前值加1，计数结果对应于转角的增量。

增量式编码器的制造工艺简单，价格便宜，有时也用来测量绝对转角。

2．增量式编码器的分类1）单通道增量式编码器内部只有一对光电耦合器，只能产生一个脉冲序列。

2）AB相编码器内部有两对光电耦合器，输出相位差为90°的两组脉冲序列。

正转和反转时两路脉冲的超前、滞后关系刚好相反。

由下图可知，在B相脉冲的上升沿，正转和反转时A 相脉冲的电平高低刚好相反，因此使用AB相编码器，PLC可以很容易地识别出转轴旋转的方向。

需要增加测量的精度时，可以采用4倍频方式，即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数，分辨率可以提高4倍，但是被测信号的最高频率相应降低。

3）三通道增量式编码器内部除了有双通道增量式编码器的两对光电耦合器外，在脉冲码盘的另外一个通道有1个透光段，每转1圈，输出1个脉冲，该脉冲称为Z相零位脉冲，用做系统清零信号，或坐标的原点，以减少测量的积累误差。

2．编码器的选型首先根据测量要求选择编码器的类型，增量式编码器每转发出的脉冲数等于它的光栅的线数。

在设计时应根据转速测量或定位的度要求，和编码器的转速，来确定编码器的线数。

编码器安装在电动机轴上，或安装在减速后的某个转轴上，编码器的转速有很大的区别。

还应考虑它发出的脉冲的最高频率是否在PLC的高速计数器允许的范围内。

3．编码器与PLC高速计数器的配合问题以S7-200为例，使用单通道增量式编码器时，可选高速计数器的单相加/减计数器模式（模式0~5），可细分为有/无外部方向输入信号、有/无复位输入和有/无启动输入信号。

增量式光电编码器原理及其结构增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。

它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。

一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。

同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。

标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1 所示。

码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。

它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。

当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。

增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。

增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。

其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

图 1-2 增量式光电编码器的输出信号波形1.2.2 基本技术规格在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。

实验一增量式码盘原理及应用一、实验目的：1、掌握光电编码器的工作原理与使用方法。

2、掌握T法测速的基本原理。

二、实验设备：1、EM400教学设备一台。

2、计算机一台。

3、双踪示波器一台。

三、实验原理：（一）光电编码器的工作原理以最常用的增量式光电编码器说明其原理（如图1-1）：图1-1增量式光电编码器的工作原理1发光二极管2光电圆盘3转盘缝隙4遮光板ABC光敏元件光电圆盘与被测轴连接，光线通过光电圆盘和遮光板的缝隙，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，在A、B光敏元件上产生近似于正弦波的电流信号，经放大整形电路变成相位相差90°的方波信号，如图1-2所示。

轴每转动一圈，只产生一个C相脉冲，用做参考零位的标志脉冲，在数控机床的进给控制中，C相脉冲用来产生机床的基准点。

A相和B相的相位差可用作电机的旋转方向判别，若A相超前于B相，对应电机作正向运动；反之，对应电机作反向运动。

该方波的前沿或后沿产生的计数脉冲，可以形成代表正向和反向位置的脉冲序列。

此外，在实际应用中，为了提高编码器信号的传输能力和抗干扰能力，每一相都以差分形式输出，如A相有A和A/一起差动输出。

A相B相C相图1-2光电编码器输出波形（二）编码器测速原理：在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种：（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速；（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。

以上三中测速方法中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率；而M/T法则无论高速低速都适合测量。

由于PMAC控制器采用的是T法测速，所以以下只对T法测速进行介绍。

T法测速的原理是用一已知频率fc（此频率一般都比较高）的时钟脉冲向一计数器发送脉冲，计数器的起停由码盘反馈的相邻两个脉冲来控制，原理图见图1-3。

学号：13481120常州大学《机电一体化系统》课程设计题目增量编码器方向判别和计数电路设计学生王春来学院机械工程学院专业班级机电131校内指导教师俞竹青专业技术职务教授校外指导老师专业技术职务二○一七年一月任务书1．设计题目增量编码器方向判别和计数电路设计2. 设计内容设计内容主要包括：查资料、总体设计、原理图、元器件选型、PCB、课程设计说明书六个部分。

课程设计的最后要求是写出课程设计说明书，把总体设计、原理图、元器件选型、PCB过程进行全面的说明，上升到一定高度。

具体设计步骤如下：2.1总体方案设计根据技术指标的功能要求，确定电路的总体构成，一般为信号拾取电路、信号处理电路、显示电路等。

2.2关键元器件选型根据技术要求和设计总体方案选择合适的元器件，以实现电路的功能。

2.3电路原理图根据设计总体方案和关键元器件的型号参数设计电路原理图。

2.4 PCB图根据电路原理图和元器件封装形式设计PCB图。

2.5 编写设计说明书把设计过程的总体设计方案、参数计算、元器件选型依据、实现的波形等内容编写成设计说明书。

增量式编码器方向判别和计数电路设计摘要：本设计电路分为电源电路、方向判别电路和计数电路。

电源电路通过变压器降压和全桥整流，将交流电压转化成单脉冲电压。

然后使用电容滤波和稳压器稳压，将电压控制在各芯片的电源电压5V。

方向判别电路由芯片AT288a芯片根据A、B两信号顺序，将增量式编码器的两相脉冲信号转化为正向和反向的脉冲信号，来作为计数电路的输入方向信号。

计数电路是将两片74LS192组合实现8位电路计数的功能。

因为正转时A相超过B相90°，反转时A相落后B相°，而且脉冲的个数与位移量成比例的关系，当对象发生变化时，对脉冲个数的计算（有方向地累加和减少）得到相应的位移，可以更好地实现闭环有效的控制。

最后将计数电路所得到的二进制转数利用74LS283和74LS46的芯片转化成BCD码在LED数码管上显示。