光电脉冲转换电路优化设计

光电脉冲转换电路将机械表转盘转动转换为电脉冲信号，一般由发光器件和光敏器件构成，发光器件使用红外发光二极管，而光敏器件使用光敏三极管，以免受到外接电磁波、可见光的干扰。

转换电路有两种方式：穿透式和反射式。

图5.5 （a）所示为穿透式光电头，在转盘上钻有若干个孔，发光管与光敏管分别安装在转盘的上下两侧，光敏管通过接收透射光，产生脉冲输出。

图5.5　机电一体化表光电头安装结构示意图

（a）穿透式光电头；（b）反射式光电头

图5.5 （b）所示为反射式光电头，在转盘边缘均匀地印有黑色分度线，发光管和光敏管安装在转盘的同一侧，光敏管通过接收反射光产生脉冲输出。

（1）光电接收电路和器件选择。

1）发光管和光敏三极管都是光电转换器的主要器件，正确的选择和使用是非常重要的。

发光管要有足够的发射功率；

发光管的发射光束的能量应集中，发散角要小（10°以内）；

发光管和光敏管的波长尽可能相配合，同时还要考虑发光管的发射角与光敏管的入射角相配合，达到最佳效果。

2）光电转换电路。一种最基本的光电转换电路如图5.6所示。

当光敏三极管接收到红外光后，处于导通状态，V1导通，作用到V2和V3组成的射极耦合放大器上，使输出电压呈高电平；反之，当光敏管接收到的光照较弱时，处于截止状态，相应的输出电压呈低电平。以下是一款改进的电路，如图5.7所示。

图5.6　光电转换基本电路(www.xing528.com)

图5.7　光电转换改进电路

电路采用施密特触发器与非门CD4093四个并联使用，以提高驱动能力，此外输出采用光电耦合器与后续微处理器电路隔离。电容C用于滤波，防止转盘上的划痕引起干扰。

电路工作原理：当光敏管接收到红外光时，施密特触发器输出低电平，光耦二极管一侧有电流流过，三极管导通，输出为低；当没有接收到光线时，施密特触发器输出为高，光耦不导通，光耦三极管截止，输出为高。

（2）双向脉冲式电能表。

双向脉冲式电能表具有双向计度功能，可以测量正向以及反向有功电能或测量感性以及容性无功电能，当正向有功或感性无功时，电能表转盘正转，当反向有功或容性无功时，电能表转盘反转。在电路设计上，双向脉冲电能表比单向电能表复杂，它有两套光电转换电路，分别输出正转和反转电能脉冲。

双向光电头的安装位置如图5.9所示，在图5.8所示的电路中，转盘上的黑印接触光电头时，光敏三极管由于得不到光照而截止，其发射极输出低电平，使相连的与非门输出高电平。

转盘正转时，光电头1先于光电头2接触黑印，输出如图5.10 （a）所示的波形。由于a和c的信号接到D触发器的触发端，同时又分别接到了输出与非门的一个输入端上，从波形分析可以得到b和d的输出波形。由此可见，b代表的正向脉冲有输出，而d代表的反向脉冲始终输出高电平（无脉冲输出）。反转时，情况相反。

图5.8　双向光电脉冲转换电路

图5.9　双向光电头安装位置

需要指出的是，双向电能表可能存在转盘抖动情况，转盘左右微小晃动，如当转盘转过光电管1，又转回去，即a点有脉冲，而光电管2始终没有导通，即c点始终为低，此时b和d不应该发脉冲。但从电路波形图5.10 （b）中看出，正向输出b端仍会发出脉冲，这是误发脉冲。

改进方法：将光电转换脉冲输入到微处理器中，即将a和c均接入到微处理器的输入端口，从接收到的脉冲先后来判断转动方向以及滤掉抖动干扰。基本原理为只有a、c交替的脉冲到来，才能认为是转盘的转动从而累计电能，而且从先后到来的顺序判断转动方向。

图5.10　双向电路输出波形图