通过基于光电编码器的数字电路实现直线位移高精度测量

通过基于光电编码器的数字电路实现直线位移高精度测量的一种方法

王锋

山东电力建设第二工程公司电仪工程处

摘要: 本文主要介绍了用光电编码器实现大直线位移高精度测量的一种方法。主要是通过数字电路实现。数字电路首先对光电编码器输出信号进行辨向，通过符号及加减控制电路实现对计数器的控制，倍频电路对光电编码器的输出信号进行倍频，起到提高测量的精度和消除信号抖动作用，倍频后的的信号输入计数器计数，并通过LED显示器显示测量结果。

关键词：直线位移，光电编码器，数字电路

1、光电编码器在位移测量中的应用原理

光电编码器是一种高精度的角位移传感器。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点。

用光电编码器测量直线位移时，需用传动机构将直线位移转换为光电编码器的转动角度。设当被测物体上升时，光电编码器正转，此时A相超前B相1／4个周期；当被测物体下降时，光电编码器反转，A相落后B相1／4个周期，如图1所示.

图1 光电编码器输出波形

若被测物体停在某一位置时，位移为零。以此为基准，被测物体上升时，位移增加；下降时，位移减小。当位移减少到零而被测物体再继续下降时，位移变为负且数值增加；当被测物体再上升时，位移减小但仍为负.当位移减到零后,，位移变为正.可见位移测量不仅要知道位移的大小，还要知道位移的正负。因此，利用光电编码器测直线位移时，符号判别及加减运算判别是关键。

在使用光电编码器时,符号的判断和加减运算的判别,既可以通过数字电路来实现,也可以通过当今流行的单片机来实现.这里介绍了通过数字电路实现增量式编码器测位移的方法.

2、数字电路的原理

数字电路主要包括以下几部分：编码器输出的相位相差90的信号经过细分倍频电路一方面可以提高测量的精度，如果编码器一圈输出N个脉冲，其分辨率360/N，经过四倍频细分后即可达到360/4N。另一方面可起到消除信号抖动的作用。

细分后信号一路形成计数信号接入计数器，另一信号警方向判别控制电路，形成方向和加减信号，接入计数器，计数结果及正负经驱动电路由LED显示。过程如图2。

图2 数字电路原理图

3、倍频细分电路的设计

光电编码器的输出波形如图3

图3 光电编码器的输出波形

由图3可知，将A、B两相信号进行异或操作，则A⊕B信号是A、B两相信号的二倍

频。如果通过各计数器对A⊕B信号的上升沿、下降沿分别进行计数，计数值代表了码盘转过的角度，则此时计数角度的脉冲当量P=360°/4N，这就实现了倍频，使光电编码器的分频提高了四倍。

图4 倍频细分电路

如图4 74F86异或门输出既为增量式光电编码器A、B二信号的二倍频方波。用单稳电路单稳CD4538（上）检出二倍频方波前沿，单稳CD4538（下）检出其后沿，二者在74F32逻辑“或”后即可得到四倍频脉冲串。为了保证电路工作稳定可靠，二个单稳电路使用了集成化单稳CD4538。倍频后还可以消除抖动干扰。

图 5 CD4538单稳态触发器

4、辨向电路的设计

在实际工作中，被测物体移动的方向不是固定的。而方向是位移的要素之一。因此，为了判别移动的方向，必须利用编码器输出的两路相为差为90度的输出信号。

(1) 正反转辨别电路