线性电编码器.doc

线性电编码器操作原理摘要线性电编码器是新的电位置感觉技术的线性成员，也包括角位移编码器。线性电编码器包括一个比例尺和一个有互动职责的读头。比例尺是一台周期性样式领域的发射机打印的印制电路小条。读头也是一个导电性接收器样式打印的印制电路基体。一个典型读头的外形有6mm，其中包括处理电子，并且提供被测量的正弦函数的替代物的两路输出。阅读头和比例尺之间的互动地区通常在25毫米到60毫米之间，这将影响多个传送机的平均周期。总体来说提供一个高的信噪比，机械安装的错误容忍，和对一定污染的总要不敏感性。线性电编码器在以下方面不同于正弦/余弦中的光学线性编码器：比例尺是电驱动的受激的是模拟电流周期通常是两个有顺序的重要性阶段输出是绝对的线性电编码器的产品有一个很低的DC分支，低和谐的失真，完美的振幅匹配和高温度下的稳定性，他们可以因此被数字化（窜改）而提供 10 微米的子微米的分辨率和准确性或者更好。线性电编码器长时期显示多种优势，例如实际上不是速度和决议之间的 radeoff，输出低频信号，不那么有寄生阶段的倾向转换和到 PWM 噪音。1. 线性电编码器的原则在一个平行板容器之间的多块金属板的电领域是为所熟知的在板子之间分离比板子的最小尺寸更小的板子几乎是统一的。平行板容器的变化范围包括对彼此的两个绝缘的底层，它和导电的层一起仿造，（相当于板子固定尺寸大的小分离）。如果一个基层是更短暂的它可以沿着更高一个移动以便提供载重量依赖的电容。这是1类电气的位置的觉察基础，被描述在下边，那是六个可能形状之一.一 1 类递增线性电编码器包括如图 1 所示的固定比例尺和一个移动的读头。一种重复的模式的矩形条在比例尺上(显示在A) 被打印，其中四个连续的竖条构成一段空间的时期。每段时期的单独竖条是活动的在模拟电流的作用下以被移动90度，以使偶数竖条的波形在0度180度阶段内活动，奇数竖条在90度-270度活动，求积波形。图 1 - 递增的1类线性电编码器阅读头接收板子（显示在图B) 将一种正弦波模式包括在等于四陪的比例尺标度，一段时期内被一种补充的模式环绕。缝隙将正弦波和补充模式分离的和实际中一样小，而比例尺和阅读头之间的分离通常在宽度为一单个的竖条。图 2 - 线性电编码器的信号处理。同步探测器是以方波乘以费用放大器的输出的基本上模拟乘数，方波是在0度到270度之间的活动波形，分别地。净利的结果是两路低通滤波器输出与正弦波和余弦波成比例的读头的替代和比例尺。早期的位置与正余弦信号的瞬时值翻译到阅读头的递增位置结合在一起。在数学语言中，如果函数 h(x) 表示读头产生的正弦波那么就输出信号，对于它们之间的重叠和各自的活动范围是相称的覆盖，是这样匹配的：h(x)s1(x)dx and h(x)s2(x)dx s1(x) 和 s2(x) 表示各自阶段内的求积。因此，作为阅读头旅行，输出的电压图像为阅读头和比例尺功能的十字形关联的功能图像。2. 绝对输出的线性电编码器除了以前被描述的好的模式，线性电编码器可以适应通过提供一种粗鲁的模式提供一个绝对输出。在好的模式中阅读头的旅行包括很多时期；在粗鲁的模式中输出的信号与阅读头位置的正弦和余弦是成比例的，但是时期的长度等于整个阅读头的旅行时间。虽然绝对模式的比例尺可以被在两种模式之间转换，但是，粗鲁的模式仅在电源打开的时候使用，在一段好的时期内标识阅读头的位置。好和粗糙的模式的阅读结合起来为阅读头的绝对位置提供早期好的长度和保真度确定的分辨率和准确性，以及处理电子产品的量化深度。图 3 - 概念粗鲁的模式绝对线性电编码器像好的模式一样，粗鲁模式的输出的信号也是正弦波和方波模式之间的交叉型关联的产品；然而，阅读头和比例尺的作用是相反的。图 3 是在粗鲁模式中的比例尺和阅读头的一个概念的说明。比例尺包含了按正弦波差距沿着其长度被拆分的导电的条。比例尺的两个部分随着相反交替电压而活动，而阅读头包括一个与变化幅值相关联的方形的导电板子，像以前。阅读头产生的信号在和比例尺长度相等的一段时期内将是正弦波，但是由于正弦功能是不确定的和其幅值可能受差距容忍影响等，需要一个补充的余弦信号。图 4 说明了同时以相同的比例尺提供粗鲁模式的正弦和余弦功能的多元概念。竖条被分割为两个部分-偶数竖条的空隙以正弦函数的位置调互调整，而奇数的竖条以一个余弦函数函数的位置被调整。正弦和余弦竖条利用相同的频率活动，但是求积关系像以前一样。在粗鲁的模式中，上层和更低的部分利用阶段相反的波形活动。像以前，变化的扬器的混合输出两个同步调制解调器分隔为两个部分，这两个同步调制解调器可以实现相关。信号的求奇关系，这两个调制解调器后边有两个低通滤波器图 4 - 粗糙/好的线性电编码器在图1中，为了减小统一的在好的信道上输出信号的空间距离变化的影响，阅读头的模式被优化。这样的变化可能导致阅读头沿着不完美机械指南移动。在对称模式的上下移动时，首次取消是固定的。类似地，通过使模式左边正确对称，输出的不敏感影响在坐标轴上倾斜。使粗糙模式的方波接收器接收者板子倾斜（图示3B）环绕到旅行轴的轴平行会影响传送者的上层和更低的部分的平衡；相应的影响正弦和余弦输出的平衡。为了将这种影响减到最小，使用了图5中所示的策略，其中正弦和余弦传送机的竖条被反射与中心线有关系，因此用两个连续的竖条作为补偿。图5-一个偏于补偿的线性编码器样式3. 一段时期和其暗示在一段时期内一个光学系统不是合适的准确地生成重复的模式。这是因为被生成的准确性的正弦波模式被限制至少按照图像媒体的非线性灰度等级。原则上，生成正弦波的bi等级，脉搏宽度的调制近似可以避免这项限制，但是成像模式将会成为一个重的负担模具有关阐明和响应统一性的一个沉重的负担。不同约束会限制被衍射生成的正弦波模式的时期的长度。静电域被不同的规则所约束，在任何周期内都可以被虚拟的产生。在一个平行板电容器中电气领域是统一的，除成为其的边缘的边缘设备外，边缘设备变得更小是因为由于到板子的尺寸的比率减小。因此，一个平行板电容器可能不包括比分开的板子变得更小的构件，电领域的模式被限制了长度而不仅仅是缩短周期。一个衍射得到光学编码器将提供正弦波，理论上，正弦波可能被无限地插入。然而，实践中，以下缺点限制了插入深度：直流偏置幅值的错配合金的泛音这表明正弦和余弦波的输出可能导致每个周期重复一次的错误，（电周期），然而，幅值错配将导致一个错误，这个错误每个周期重复两次。然而由于这些错误，和谐失真可以某种程度上被补偿，正余弦信号流在两个分开的光电二极管和温度计中产生，这个温度计可能在一个限定的温度范围内被维护。另一方面由于光学编码器作用时期是短暂的，它仍提供重要的准确性和分辨率，并且以上不完整性被表明仅仅作为子分区的错误。电的线性编码器不同于光学编码器在一些方面，最大的不同就是周期的长度，which is, orders of magnitudes longer (few millimeters versus few micrometers). To achieve resolution comparable to that of optical encoders much higher interpolation factor (quantization depth) is needed, and the sinusoidal outputs of the electric encoder must be significantly more accurate. Fortunately, the factors involved make that possible,as follows:传送和接收板子的质量依赖于一个固有准确photolithographic的生产过程边缘的效果通过减少和谐的失真扮演肯定的角色 在正弦波领域衰减高的空间。阅读头和比例尺之间的互动地区的尺寸是灵活的。阅读头的长度可以被最大化，取决于申请，均分很多周期以及改善准确性。在解调以前输出信号时模拟的并且共享一个共同的接受板子和一个处理信道，因此，他们就直流偏置而言更接近理想，幅值匹配，和谐失真和信噪比，也是稳定的在一定温度时。长时期的实用的指导，以及相关的低信号频率是：没有为位置编写索引的需要，甚至自从有良好适应性的机械上停止，在递增版本中被控制的旅行足以标识从其绝对位置可能被确定的终止时期减少动态错误和寄生阶段改变在没有错过高速度循环时减少采样速率减少相邻的敏感的PWM 干涉，占领一个单独的频谱区域区域基本上，高速和决议之间没有冲突 - 如下所示准确性需要从粗糙的信道上增长好的信道在比例尺上的作用时间，即，当比例尺变得更长时好的信道时间变得更短暂。为了减少这个需求，将在图 6 中示意性地被显示的更改被使用的这个要求减到最少，其中有沿着比例尺长度的若干个粗鲁的模式周期。避免不确定的阅读，它们的幅值被线性的调制，并且取决于正余弦粗糙模式数量的位置被计算并且被用来标识粗糙模式的循环。然而，矢量的重要性也取决于阅读头和比例尺之间的差距 - 那可以导致严重错误。这个错误根据事实被补偿是基于好的渠道矢量的重要性，对特定差距，运行的整个期间是持续的。因此为了纠正粗糙模式时的信号它可以服务于差距的测量图6粗糙模式的幅度调制4.信噪比线性电编码器的噪音模型在图7中被显示，其中 Cf = 10pF 是费用放大器的反馈电容，Cs是接收板电容， Cp 对于它的后边接地的层是其寄生的电容。在一个 25x60mm 阅读头上，正弦波好的信道接受板子是 7cm2。接收器和传送器板子之间的优化距离持续 4 毫米，期间按照时期的长度变化它将被当作 1 毫米，将导致 C = 5pF。隐蔽的板子是在一个印刷电路板中的内部的层，以一个绝缘的常量是 4.5，一段0.5 毫米的距离通常分开所作玻璃环氧树脂，导致 Cp = 45pF。图 7 - 线性电编码器的噪音模型主要的噪音来源是费用放大器的前阶段。一个理想费用放大器的电压获得是-C/Cf-，来源于电容和反馈电容的比率，假定无限反馈电阻。在实践中，一个10M的电阻中被使用和其有效的价值被增加通过一个电阻电压划分者提供它的输出电压（不被显示）那使变得其影响在频率的响应上微不足道。总的放大器输出电压噪音密度可以在2 , 3 处获得4kT/Rf（在图7)是反馈电阻的热气流(Johnson)噪音，其中k = 1.38x10-23 和 T = 300o。对 Rf = 10MO 其值总计为 1.6x10-27A2/Hz。在2中，有一个 FET 输入阶段通常有 10-28 的次序 A2/Hz这在有热噪音的比较中是微不足道的-以 10kHz 的运行频率，将导致输出噪音密度为4x10-15V2/Hz。对于一个电压噪音来源为en=10nV/Hz的放大器和上边电容来说，第二个噪音源的噪音密度将是：3.6x10-15V2/Hz.希望10kHz 的总的被输出的噪音密度，因此，是8x10-15V2/Hz如果在图2中低通滤波器的切断截止频率（因此也是编码器输出信号的带宽）是 f0 费用放大器输出的幅度调制信号将占用的频率范围是fc f0.随机噪声在2f0 范围的频率射程内将在同步解调作用下向基带转变，并将设置传感器的限制决议。对f0 =1kHz噪音带宽将会是2kHz，以及放大器前输出的RMS噪音将是4V.如果载波是方波我们在周围的第三个和第五个谐波频率的间隔也应该添加噪音贡献。然而，由于热噪音贡献的减少以及更低，各自的（1/3 和 1/5，按照 Fourier 系数）同步解调器收益中，被加上的噪音是微不足道的费用放大器的输出信号电压是：Vs Cs /Cf并且对于兴奋电压Vs = 5V的峰峰值，将是2.5V的峰峰值。调制解调器的最大（全波纠正）信号值将是 1.25V，其到RMS的噪音比率将是3x105，众所周知，高斯随机噪声将超过3.3倍于RMS值，RMS时间仅仅0.1% ，实际上它绝不可能超过 4倍其RMS的值。动态随机信号也是如此，安全地被当作3/4 x10-57x104那等于 16 位。4. 电界面，信号处理，决议，速度线性电编码器具有的5mA的当前消耗 +5V 的一次 DC 供应运行。这个不寻常的低电流值是由低标度的电容的负载引起的，低兴奋频率( 10kHz )，以及CMOS处理电路。正弦和余弦的输出信号通常是2V的峰峰值，每个提供将是不同的，其他共同模式噪音减少到一个补充的对。差额信号被数字化后，他们被转换成数字信号的形式。转换算法取决于一个正切查找表。这依据一个全部正弦波形包含相同模式的8次反射的和/或重复转化的事实。这可以被显示在二进制角表现中等于额外3位（第一位表示 180o）输出计算的角中。一个n比特的A/D 转换器提供 n-2个实用位（不包括标志位和LSB）。希望输出二进制角的决议，因此，是n+1位。全部转换算法可以是建立在4。按照上述，一个周期4毫米的比例尺和一个12位的A/D转化器结合在一起，这个A/D转换器将提供4/213mm或0.5m的决议，然而一个14位的A/D转换器将提供0.1m的决议。截止频率是1kHz的滤波器的最大阅读头速度和4毫米的pitch是4m/Sec-与指定的决议无关。众所周知，增加电压的活跃性将提高信噪比并且允许日益增长的协议，然而增强兴奋频率和滤波器截止频率将允许实际上无限大的速度。5. 构造和准确性比例尺和阅读头底层利用标准的印刷电路技术制造的。比例尺的厚度在到 0.5 毫米的 0.2 毫米之间变化然而早期好的标准pitch是 1，24或8毫米。标准的比例尺宽度也是25毫米或10毫米。相应的阅读头-包括所有的处理电子有6毫米，分别地为一个长度为60 毫米和 40 毫米的一段。现在的技术允许大约 0.5 毫米的最小烦人早期的长度和使用新激光的被制造的典范的准确性直接成像(LDI)技术在一些微米的订单中。然而，编码器总的准确性被若干其他的因素影响：很多周期的平均值模式中更高谐波的削弱所作现场上的缘饰印刷电路的机械变化程度紧跟着铜板刻画。测量的准确性通常是10m或更好，取决于标尺的长度。6. 环境容忍电线性编码器的产品在对各种因素保持平稳方面是令人惊讶的，例如温度，湿度，污染，机械震动，电干涉。这是若干因素的一个结果：大阅读头和比例尺互动地区接收机模式的对称几何结构输出窄带信号在处理电路中的温度是变化的，以及空隙的差距，同样地影响正弦和余弦信号-但是不是他们的比率。因此，编码器的操作与温度基本上是独立的。唯