四倍频细分电路

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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）-0114-02

1 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。

编码器工作原理

1 编码器工作原理,光电编码器的工作原理分析

编码器工作原理

绝对脉冲编码器:APC

增量脉冲编码器:SPC

两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件.

旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

增量型编码器与绝对型编码器的区分

编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。

增量型编码器 (旋转型)

工作原理: 编码器工作原理

2

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，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，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

信号输出:

信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

科技信息　０科教前沿Ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１３年第５期　

基于ＦＰＧＡ的光栅尺信号处理模块的设计　

宫磊　

（曲阜师范大学＜日照校区）图书馆，山东日照２７６８２６）　

【摘要】本文介绍了一种利用ＡＬＴＥＲＡ公司大规模可编程逻辑器件ＥＰＦ１０Ｋ１０构成的多功能光栅尺处理电路。也介绍了电路的主要　

构成部分一四倍频细分、辨向电路、计数电路、接口处理的设计原理，同时给出了详细的电路和仿真波形。设计可以应用在直线电机中位置和　

位移的测量。　

【关键词】光栅尺；四倍频细分；辨向；ＦＰＧＡ；ＥＰＦ１０Ｋ１Ｏ　

１　光栅尺测量原理及电路设计要求　

将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起　

构成的光栅传感器通常称为光栅尺　光栅尺输出的是电信号．动尺移　

动一个栅距．输出电信号便变化一个周期．它是通过对信号变化周期　的测量来测出动尺与定尺的相对位移ｉｔ】　目前使用的光栅尺的输出信　

号一般有两种形式：一是相位角相差９Ｏｏ的２路方波信号，二是相位　

依次相差９Ｏ。的４路正弦信号。这些信号的空间位置周期为ｗ。本文　针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论．而对于输出正弦波信号的光　

栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有Ａ相、Ｂ相　

和ｚ相三个电信号，Ａ相信号为主信号，Ｂ相为副信号，两个信号周期　

相同，均为ｗ．相位差９Ｏ。。ｚ信号可以作为校准信号以消除累积误差。　

图１给出了动尺移动时Ａ、Ｂ信号的变化情况。在Ａ信号的下降沿采　集Ｂ信号．就可以判断出运动方向。图中前半部分为正向运动．Ａ信号　

的上升沿及下降沿均比Ｂ信号超前１／４Ｗ．在Ａ信号下降沿采集到的　

Ｂ信号为／１０：后半部分为反向运动．Ａ信号的上升沿及下降沿均比Ｂ　

信号滞后１，４ｗ．在Ａ信号下降沿采集到的Ｂ信号为／００　根据采集到　的运动信号方向和Ａ信号变化的周期数用计数器进行计数（正向计　

数或逆向计数），就可以测算出总位移。在上述信号处理、测量电路中，　

4倍频芯片电路

4倍频芯片电路是一种用于将输入信号的频率提高到原来的四倍的电路。它的工作原理是利用谐振现象，即当一个电路的频率等于其固有频率时，电路中的电流和电压将达到最大值。

4倍频电路通常使用一个非线性元件，如二极管或晶体管，将输入信号中的低频分量通过非线性现象转换成高频分量。然后使用一个滤波器滤除原始信号和高频倍数的混频信号外的其他频率分量，保留原始信号和4倍频信号。

在实际应用中，4倍频电路通常用于提高测量设备的分辨率和精度，例如在光栅测量、编码器测量等领域中。通过将低频信号转换为高频信号，可以更容易地处理和测量信号，从而提高测量设备的性能。

需要注意的是，4倍频电路的设计和实现需要考虑许多因素，例如非线性失真、噪声、干扰等。因此，在进行电路设计和优化时需要进行仔细的考虑和实验验证。