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光电码盘四倍频双向计数电路设计作者：徐榕龙江雄来源：《科技创新导报》2017年第32期摘要：光电码盘在转角测量机构中应用广泛，但成本较低的光电码盘的测量精度在某些应用领域中不能满足要求，设计电路提高基于光电码盘测角机构的测量精度能够解决这类问题，而且成本低、体积小。
本文简要介绍了光电码盘的工作原理，为提高光电码盘转角测量精度，对码盘输出信号进行四倍频分析，设计了脉冲四倍频电路模块和双向计数电路模块，仿真验证了电路的可行性。
关键词：光电码盘倍频双向计数中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0114-021 光电码盘简介光电码盘是一种通过光电转换将角位移量转换成脉冲或数字量的光电传感器，是一种集光、机、电一体的数字测角装置。
它的核心部分是高精度的计量光栅，由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。
它依靠计量光栅作为检测工具，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，通过电子检测装置检测输出脉冲信号，把位移或者角度信息转换成相应的模拟或者数字信号，其原理图如图1所示。
光电码盘每旋转1密位则输出一个周期脉冲，通过计算每次转动输出脉冲个数即可计算出转过的角度密位值，为辨别旋转方向，码盘提供相位相差90°的两相脉冲。
光电码盘结构简单、体积小、重量轻、分辨率高，因此在雷达、指挥仪、经纬仪、自动测量、遥感等领域应用十分广泛。
随着光电技术的迅速发展，光电码盘已经成为一种高精度角度传感器。
但在实际应用中，不同价格的光电码盘对转角的测量精度有所差别，精度高的码盘一般价格较贵，不适用于需要控制成本的转角测量系统，而对于便宜的光电码盘，直接利用码盘输出的脉冲进行计数所得到的结果不能满足所要求的精度。
本文通过分析码盘输出信号四倍频方案，设计码盘输出脉冲四倍频电路，并实验验证了该电路的倍频结果，将其应用于输出精度为1密位的码盘，可将测角显示精度提高到0.25密位。
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．。
四倍频晶体最短波长-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述四倍频晶体是一种能够将输入信号的频率扩大到原来的四倍的器件。
它通过使用特殊的晶体材料和电子技术，将输入信号中的频率成分进行倍频处理，从而实现高频率的输出。
该技术在现代通信、雷达、无线电频率合成器等领域具有广泛的应用。
本文将详细介绍四倍频晶体的定义、原理以及其在不同领域的应用。
首先，我们将深入探讨四倍频晶体的工作原理，包括特殊晶体材料的选取、器件结构设计和电子电路的布局等方面。
其次，我们将介绍四倍频晶体在通信领域的应用，包括高频率信号的发射和接收、信号合成和频谱分析等方面。
此外，我们还将探讨四倍频晶体在雷达和无线电频率合成器等领域的具体应用案例。
通过本文的研究，我们希望能够更全面地了解四倍频晶体的特性和工作原理，进一步挖掘其在不同应用领域的潜力。
同时，我们也将对四倍频晶体的发展前景进行展望，并总结本文的主要内容和结论。
下一节将介绍四倍频晶体的定义和原理，以帮助读者更好地理解本文的内容。
文章结构部分的内容可以包括以下几点：文章结构部分的内容主要是介绍本文的组织结构，使读者对整篇文章的内容和章节安排有一个大致的了解。
首先，本文按照引言、正文和结论三个部分来组织。
引言是文章的开篇部分，主要介绍本文的背景、目的和结构安排。
正文部分是对四倍频晶体的定义和原理进行详细阐述，以及其在应用领域的具体应用。
结论部分则对四倍频晶体的意义和前景展望进行总结。
其次，在引言部分的概述中，可以简要介绍四倍频晶体及其最短波长特性，引起读者的兴趣。
文章结构部分中的目的可以说明本文的写作目的，即通过对四倍频晶体的研究，探讨其在现实应用中的价值和潜力。
接着，在正文部分中的四倍频晶体的定义和原理部分，可以详细介绍四倍频晶体的基本概念、结构和工作原理，以及如何产生最短波长。
在应用领域部分，可以列举多个典型的四倍频晶体在不同领域中的实际应用，如通信、传感器等，对每个领域进行详细的解释和说明，以便读者更好地理解其应用场景和特点。
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。
收稿日期:2006-11 作者简介:钞靖(1983—),女,硕士研究生,研究方向为数控系统及其运动控制等。
基于FPG A 的光电编码器四倍频电路设计钞 靖,王小椿,姜 虹(北京交通大学机电学院,北京100044) 摘要:分析光电编码器四倍频原理,提出了一种基于可编程逻辑器件FPG A 对光电编码器输出信号倍频、鉴相、计数的具体方法,有利于提高被控对象的测量精度和控制精度。
关键词:FPG A;光电编码器;四倍频中图分类号:TP212.14 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2007)06-0017-02Fourfold Frequency M ulti pli ca ti on C i rcu it D esi gn of I ncre m en t a lO pto 2electr i c Encoder Ba sed on FPGACHAO J ing,WANG Xiao 2chun,J I A NG Hong(Mechanical and Electrical Contr ol Engineering Depart m ent,Beijing J iaot ong University,Beijing 100044,China )Abstract:This article researches on the incre mental op t o 2electric encoder and analyze its f ourf old frequency multi 2p licati on p rinci p le,it gives a method based on FPG A t o multi p ly the signal of the incre mental op t o 2electric encoder,dif 2ferentiates its phase and counts its nu mber,the contr oled object πs p recisi on of measure and contr ol can be heightened .Key words:FPG A;incre mental op t o 2electric encoder;f ourf old frequency multi p licati on1 引言光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器,由于其具有分辨率高、响应速度快、体积小、输出稳定等特点,被广泛应用于电机伺服控制系统中。
高精度的光电编码器的结构及原理2009年06月12日星期五8:48本文主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。
一、光电编码器的介绍：光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。
根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。
（一）、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。
编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。
图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。
通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。
如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、 (1111)a) b)按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。
当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。
（二）、增量式光电编码器Increamental Optical-electrical Encoder增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。
它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。
增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。
在采集编码器信号的时候，什么是4倍频？如何在LabVIEW中设置？
来源：泛华测控
回答=编码器的A、B相信号是相位差为90度的同频率信号，一般当正向转动时A相超前B相90度，反向转动时，B超前A90度，对于单独的A或B来讲，每个周期内，上升沿和下降沿有两个，而对于两路相位差为90度的信号来讲，每个周期内共有均匀分布的4个上升和下降沿，因此，4倍频就是依据该上升沿和下降沿将原来的信号以4倍的频率去采集计算信号，在测量转动的角度和位置测试中使得测量的精度即分辨率提高到原来的4倍。
如果要使用4倍频，有两种方法，第一就是在MAX里创建任务或者在LabVIEW里使用DAQ助手，选择counter input>>position>>angular选择一个计数器，点击完成，在弹出对话框里的Decoding type里可以选择X4，即为4倍频。
第二种方法就是在LabVIEW里用DAQmx Creat Virtual Channel.vi的下拉列表里选择counter input>>position>>angular encoder然后在DAQmx Creat Virtual Channel.vi的右面的中间端口可以选择decoding type,在这里设置为X4即可。
1）、光电码盘：主要用来测量机器人小车车轮的转速，构成机器人速度的闭环反馈。
2）、组成：光发射器，光探测器
3）、原理：在光源led照射下，通过光电码盘的盘缝，不断地输出光电脉冲信号。
光电码盘固定在电机轴上，输出两路正交脉冲，通过两路的正交脉冲，从而可以向微控制器提供速度大小及方向的反馈。
（通过一路光电脉冲可测得转速，通过两路正交脉冲可实现测得转向）比如当电机顺时针转动时，A相脉冲超前B相；当电机逆时针转动时，B相脉冲超前A相。
4）、测速方法
M测速法：在T时间内，脉冲发生器每转动一周产生的脉冲数为P，测得的脉冲数为M。
则电机每分钟的转速为：
N=60*M/P*T
这种方法只适用于转速较高的场合，当转速较低时误差比较大。
为了弥补M法测低速误差比较大的问题进行改进：
分两路光电脉冲输入：一路是四倍频电路（因此可实现测低速误差较小）；另一路是正交编码脉冲（用于鉴相，并加了一个清零信号，实现变相清零）。
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。
