光电编码器原理及应用电路

1、光电编码器原理及应用电路1? 光电编码器原理光电编码器， 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目 前应用最多的传 感器，光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地 开通若干个长方形孔。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， 经发光二 极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所示； 通过计算每秒光电编 码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此 外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 度的 脉冲信号。图 1 光电第码器原理示意图根据检测原理，编码器可

2、分为光学式、磁式、感应式 和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为 增量式、绝对式以及混合式三种。1. 1 增量式编码器增 量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方 波脉冲 A、 B 和 Z 相； A、 B 两组脉冲相位差 90度的脉 冲信号， Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它 的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。1. 2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形 码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不 透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍 关系，码

3、盘上的码道数就是它的二进制数码的位数, 在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏 元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光 照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种 编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N 位二进制分辨 率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编 码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形， 绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置

4、。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1. 2. 1 叮以直接读出角度坐标的绝对值；1.2.2没有累积误差；1. 2. 3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是 由二进制的位数来决泄的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、 14 位等多种。3混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用 于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全 同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输 入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、

5、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。2.光电编码器的应用电路1 EPC-755A光电编码器的应用EPC-755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度 测量、 位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲 信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测 量的数字信号。 因此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度 的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分 双 向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对 编码 器的输出信号鉴相后才能计数。图 2给出了光电 编码器 实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与

6、非门组成，计数电路用 3片74LS193组 成。辨率选用360个脉冲/,考虑到汽车方向盘转动是TO Q0oin-LUUl D *OUT-A?CLK - QY2Q3QIQ2PlP2P3CUCD TCUCL TCD74LS193DOD1D2D3顺时针堆转OVTXOUT-BK2IW3N4PO DODID274LS193VC CCL TCV MR TCD 一PlF2 aDO P2 卷 弓艮D2I；命CU D3P3 D3CUCD TCUHR ICD74LS193D4D5D6D7re M DIO DllDCLZL盛光电褊玛器鉴相计数电路当 光电编码器顺时针旋转时，通道 A输出波形超前通 道B输出波形90

7、, D触发器输出Q （波形W1）为高电 平，Q （波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形 W3）,送至双向计数器74LS193的加脉冲 输入端CU,进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W4）。当光电编码 器逆时针旋 转 时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90, D触发 器输出Q （波形W1）为低电平，Q （波形W2）为高电 平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W3）;此 时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形 W4）,送 至 双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行减法计。汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时， 其最大旋转角度均为两圈半， 选用

8、分辨率为 360个脉冲 / 圈的编码器, 其最大输出脉冲数为 900 个；实际使用的计数电路用 3 片 74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进 行复位 （ CLR 信号），再将其初值设为800H,即2048 （LD信号）；如此，当方向盘顺时针旋转 时，计数电路的 输出范围为2048?2948,当方向盘逆时针旋转时，计 数电路的输出范围为2048? 1148； 计数电路的数据输出 D0-D11 送至数据 处理电路。实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动 , 由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回 中时计数电路输出可能不是2048,而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们

9、增加了 - 个方向盘回中检 测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非 操作状态时，系统检测回中检 测电路，若方向盘处于 回中状态，而计数电路的数据输出不是2048,可对计数电路进行复位，并重新设置初值。2.2 光电编码器在重力测量仪中的应用 采用旋转式光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中 补偿旋钮轴相连。重力测量仪中补偿旋钮的角位移量 转化为某种电信号量；旋转式光电编码器分两种，绝 对编码器和增量编码器。增 量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝 对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。一般只需要 三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码 道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外

10、道和中 间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转 动时， 它的输出信号是相位差为 90 的 A 相和 B 相 脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的 脉冲信号 （它作为码盘的基准位置， 给计数系统提供 一个初始的零位信号）。从 A, B 两个输出信号的相 位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图 3 （ a） 可见，当码盘正转时， A道脉冲波形比 B 道超前兀 /2, 而反转时， A 道脉冲比 B 道滞后口 /2。图 3 （b） 是一 实际电路，用 A 道整形波的下沿触发单稳态产生的正 脉冲与 B 道整形波相与，当码盘正转时只有正向口

11、 脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转 动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N 个（码道）输出信号，其相位差为兀/N,可计数脉冲为2N倍光栅 数，现在N=2。图3电路的缺点是有时会产生 误记脉冲造 成误差，这种情况出现在当某一道信号处 于高或低 电平状态，而另一道信号正处于高和低之间的往返 变化状态，此时码盘虽然未产生位 移，但是会产生单方向 的输出脉冲。例如，码盘发生 抖动或手动对准位置时（下 面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。逆方向正方向唤 T_n_rL_u%m_rB通道正向脉冲 hnnfwinnnnmr逆向脉冲图3增重光

12、电编码器基本波形和电路inniwinnnnnnnf逆7T向V * - 正方向正向脉冲mwinnnnnnrr逆向脉冲iwimnnn?Vcc1634LS175131S12 nc ioU21231614整形电路ft i10k200pF22204101 1 +将491217lk1.7 7.9正向脉冲lk3.4.5 10逆向脉冲-il171（b）图4四倍计数方式的波形和电路图4是一个既能防止误脉冲又能提肓分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的 D型触发器和时钟发生电路。由圉 4可见，每一道有两个 D触发器串接，这样f在时钟脉冲的间隔中，两个 Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保

13、持前两个时钟期的输入状态f若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否贝！ J,可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生正向或?反向输出脉冲。当某道由于 振动在高、？低？间往复变化时，将交替产生正向和反向脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）o由此可见f时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每圈脉冲数为1000的绸 码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为实际上，目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上细分与计数电路就可

14、以组成一个角位移测量系统（74159是4-16译码器）。其他资料：编码器如以信号原理来分，有瑁重型编码器，绝对型编码器。工作原理：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，可堵强稳定信号；另每转输出一个 Z相脉冲以代表零位参考位。瑁重型编码器（旋转型）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，以判别能码器的正转与反转f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

15、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r 但由于金属有一走的厚度. 精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数重级，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。分辨率一编码器以每旋转360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率, 也称解忻分度、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 ），隼电极开路（ PNP 、 NPN ）推拉式多种形式, 其中TTL 为长线差分驱动（对称AA;B,B ? ;ZZ ） ,HTL 也称推拉式、推挽式输出 f 编码

16、器的信号接收设备接口 应与编码器对应.信号连接一编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC 、计算机， PLC 和计算机连接的模块有低速模块与高 速 模块之分 r 开关频率有低有高。如单相联接用于单方向计数，单方向测速 .A.B 两相联接用于正反向计数、判断正反向和测速。A、 B、 Z 三相联接，用于帝参考位修正的位置测重.A、A-f B. B- # Z、Z-连接r由于芾有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小， 抗干扰最佳 r 可传输较远的距离。对于TTL 的芾有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150 米。对于HTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300 米 ?堵量式编码器的问题：堵量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差f 接收设备的停机需断电记忆, 开机应找零或参考位等问题， 这些问题如选用绝对型编码器可以解决.测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对） .绝对型编码器（ 旋转型）绝对编码器光码盘上