编码器在测量位移中的应用优化

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3-23所示。

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，位移变为负巨数值增加；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。

图3-23 光电编码器输出波形

在使用光电编码器时，符号的判断和加减运算的判别，既可以通过数宇电路来实现，也可以通过单片机来实现。这里介绍通过数宇电路实现增量式编码器测位移的方法。

1.数字电路的原理

数宇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，另一信号经方向判别控制电路，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。数宇电路原理图如图3-24所示。

图3-24 数宇电路原理图

2.信频细分电路的设计

光电编码器的输出波形如图3-25所示。

由图3-25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3-25 光电编码器的输出波形

如图3-26中的74F86异或门输出既为A、B二信号的二倍频方波。用单稳电路CD4538（上）检出二倍频方波前沿，单稳CD4538（下）检出其后沿，两者在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，两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。

3.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位差为90°的输出信号。

（1）正反转辨别电路 根据光电编码器正反转时，A相与B相的相位差关系，将A相与B相分别接到D触发器D端与CLK端，如图3-27正反转检测电路所示。不难看出正转时，Q＝1；反转时，Q＝0。即当被测物体上升时，Q＝1，。下降时，Q＝0，，使用了7474触发器。

图3-26 细分倍频电路

图3-27 正反转检测电路

（2）符号判断及加减计数控制电路 增量式编码器以物体起始运动点为零点，在零点两方分别为正负。此处假设物体是上下移动的，向上为正，向下为负。物体运动时，我们不仅要计数位置的绝对值，还要知道它的正负区间。符号判断及加减计数控制电路如图3-28所示。

图3-28 符号判断及加减计数控制电路

图3-28中Q和两信号来自D触发器。Xo为计数器所有输出端逻辑“或”后的信号。Fh为输出正负信号。Gk为加减控制信号(www.xing528.com)

设当位移为零时，X_O＝1，当位移不为零时，X_O＝0。与非门YF1~YF4组成符号控制。当Fh＝1时，符号显示为正；Fh＝0时，符号显示为负。位移为零时，X_O＝1，。当位移不为零时，X_O＝1，则Fh与状态保持不变。

与非门YF5~YF10组成加减计数控制电路。Gk＝YF8＝QFh＋QFh，在位移为正的区间，被测物体上升时，Gk＝1，做加法运算；下降时，Gk＝0，做减法运算。在位移为负的区间，被测物体上升时，Gk＝0，做减法运算；下降时，Gk＝1，做加法运算。

电路中的与非门使用了集成芯片7400。它含有4个与非门，所以使用了3个集成芯片。具体连接电路如图3-29。图中已将正负信号Fh和连接LED数码管。数码管用7407驱动。当信号为正即Fh＝1时，显示0；当信号为负即Fh＝0时，显示

图3-29 符号判断及加减计数控制电路实际连接图

4.计数及显示电路的设计

光电编码器的输出信号分别经过倍频电路和符号、加减控制电路后，最后进入计数器，并由显示器显示计数结果。这也是测量电路的最后一步。

（1）计数电路 由于测量位移中既有加又有减，所以计数器应选择可逆计数器。同时出于对性能和接线上的考虑，此处选用了同步可逆计数器74LS190（见图3-30）。它是单时钟十进制计数器。

A、B、C、D为输入端，工作时都接地。

QA、QB、QC、QD为输出端，接数码器译码器。

CLK为计数脉冲输入端，此处接倍频电路输出四倍频信号。

加减控制端，高电平时减，低电平时加。此处接加减控制Gk。

为置数端，正常工作时为高电平。当为低电平时将A、B、C、D置入计数器。此处将其设为计数器清零开关。

端正常工作时为低电平。

MAX/MIN为进位/借位端。当进位/借位时产生高电平。

图3-30 74LS190同步十进制加/减计数器

端功能与MAX/MIN相似，只是当进位/借位时产生低电平。

对于计数器连接的说明如下：一个计数器不能满足计数的要求，此处为了达到位移量要求，需要6个计数器连接，可达到一百万的计数容量。

连接方式有并行连接和串行连接。并行连接各计数器工作是同步的，而串行连接计数器工作不是同步的，所以此处选择了串行连接。

图3-31 两片计数器串接

图3-31仅是两片计数器连接图，更多计数器连接同理。图中Gk为加减控制端。CP为计数脉冲。清0端平时高电平，当为低电平时，计数器置入零。当第一片计数器加到9或见到0时，MAX/MIN端产生高电平，使第二CLK计入脉冲加1或减1。

（2）显示电路 显示器采用LED7位宇符数码管，这里选用了共阴极的BS201。它在数码管右下角增设了一个小数点，形成了所谓的八段数码管。将灭零输入端与灭零输出端配合使用，即可实现多位数码显示系统的灭零控制。图3-32示出了灭零控制的连接方法，只需在整数部分把高位的与低位相连，在小数部分将低位的与高位的相连，就可以把前、后多余的零熄灭了。在这种连接方式下，整数部分只有高位是零，而巨在被熄灭的情况下，低位才有灭零输入信号。同理，小数部分只有在低位是零，而巨被熄灭时，高位才有灭零输入信号。

图3-32 有灭零控制的8位数码显示系统