CN101977060B - 一种坐标解码模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种坐标解码模块，包括用于将输入的不规则四象限编码信号变换为标准脉冲信号输出的前置放大电路、用于根据设定的对应平面坐标四个方向的中心频率对输入信号进行选通的四通道带通滤波电路、用于将相应通道输出的频率信号转换为幅值相同的单向方波信号的位置标定电路、用于将位置标定电路输出的单向方波信号转换为直流电压信号的低通滤波电路，所述的前置放大电路由依次相电连接的第一级限幅、第二级放大以及第三级门限电路组成，所述的带通滤波电路为无限增益多端反馈电路，且所述的前置放大电路、带通滤波电路、位置标定电路、低通滤波电路基于厚膜混合集成为一模块电路。本发明坐标解码模块解码的精度较高、电路体积较小、功耗较低。

Description

一种坐标解码模块

技术领域

本发明涉及一种应用于四象限信息激光码盘调制编码的坐标解码电路。

背景技术

在激光编码解码系统中，接收机需对前端光电转换电路输出的脉冲信号进行坐标解码，以驱动电机改变运动方向，进而达到定位解码的目的。

常用的坐标解码电路分为分立模拟坐标解码电路和数字坐标解码电路，其中，分立模拟坐标解码电路一般由分立器件构成，它基于放大、滤波、信号处理等来实现信号的坐标解码变换。这类坐标解码电路可以基本满足坐标解码的需求，但由于分立器件数量多、体积大、功耗大，精度和可靠性不高。

数字坐标解码电路采用单片机和数字信号处理技术，增加了坐标电路的灵活性和抗干扰能力，可以达到小体积的要求，但由于数字电路的特点，在数字采样过程中，在频率交叠处易出现丢码、误码的情况，间接影响了坐标解码精度。另外功耗偏高，可靠性低，不适于满足系统上高过载的要求。

因此上述坐标解码电路无法满足该定位系统领域对于高精度、低功耗、小体积、高可靠性和耐高过载的需求。

发明内容

本发明目的是提供一种体积小、精度高、功耗低、动态范围宽、可靠性高的厚膜混合集成的坐标解码电路模块。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种坐标解码模块，包括用于将输入的不规则四象限编码信号变换为标准脉冲信号输出的前置放大电路、与前置放大电路输出端相电连接用于根据设定的对应平面坐标四个方向的中心频率对输入信号进行选通的四通道带通滤波电路、与四通道带通滤波器输出端相连接用于将相应通道输出的频率信号转换为幅值相同的单向方波信号的位置标定电路、与位置标定电路输出端相电连接用于将位置标定电路输出的单向方波信号转换为直流电压信号的低通滤波电路，所述的前置放大电路由依次相电连接的第一级限幅、第二级放大以及第三级门限电路组成，所述的带通滤波电路为无限增益多端反馈电路，且所述的前置放大电路、带通滤波电路、位置标定电路、低通滤波电路基于厚膜混合集成为一模块电路。

所述的第一级限幅电路由运放、反馈连接在运放输入端与输出端的两并联二极管组成。

所述的带通滤波器为二阶滤波器。

所述的四个方向的中心频率为9kHz、11kHz、15kHz、18kHz。

形成带通滤波器相应振荡频率的RC电路，其中电阻选用精度为±3‰的厚膜电阻，电容采用具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。

所述的位置标定电路由一比较电路和标定电路组成，所述的比较电路具有四个输入端，每个输入端与相应的带通滤波器的输出端相连接，各带通滤波器输出的正弦波信号经比较电路后输出方波，且方波的相位与正弦波的相位相反；所述的标定电路具有两个输入端，其分别接收双向方波信号，并转换为正负交替的单向方波信号输出。

所述的比较电路输出占空比为参考电压三分之一的方波信号。

所述的标定电路为单管开关电路。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明坐标解码模块，其前置放大部分由限幅、放大、门限三部分组成，可以充分滤除输入信号中的高频分量，并对弱信号进行放大，大信号进行限幅，形成标准的频率信号；带通滤波通过四路高精度MFB滤波器设计，分别对应四象限的中心频率，保证了解码的精度和可靠性。同时，整个电路采用厚膜混合集成工艺技术实现，使得电路体积较小，功耗较低。

附图说明

附图1为本发明坐标解码模块电路中前置放大电路结构图；

附图2是本发明坐标解码模块电路中带通滤波电路结构图；

附图3是本发明坐标解码模块电路中位置标定电路电压比较部分结构图；

附图4是本发明电压比较部分输出波形示意图；

附图5是本发明坐标解码电路中位置标定电路标定部分结构图；

附图6是本发明坐标解码电路中低通滤波电路结构图；

附图7是本发明坐标解码电路工艺流程图；

附图8是本发明坐标解码模块集成时采用键合丝的示意图。

附图9是本发明坐标解码模块集成时采用过渡焊盘解决分布电阻示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：

本发明所述的坐标解码模块，在电路上，其主要由前置放大电路、带通滤波电路、位置标定电路、低通滤波组成，其中，前置放大电路又由限幅、放大、门限三部分组成，其用以滤除输入信号中的高频分量，并对弱信号进行放大，大信号进行限幅，形成标准的频率信号；带通滤波电路通过四路高精度MFB滤波器设计，分别对应四象限的中心频率；位置标定电路主要由电压比较器和标定电路实现，电压比较器输出占空比为参考电压三分之一的方波信号，标定电路为单管开关电路，其将信号整形为单向方波；低通滤波再进行平滑滤波，输出缓慢变化的电压信号。下面将对本实施例所具体实施的各电路进行说明：

图1所示的为前置放大电路，其由三级运放外加相应的反馈电路组成，在每一级的输入端都加入耦合电容。它们的作用是使电路的低频特性发生改变，致使每一级都变成了带通滤波器，目的是为了滤除低频的阳光分量。在第一级反馈电路中并联了两个二极管V1/V2来限幅，这样可以防止放大器饱和。同时，第一级的运放同相输入端还连接一RC电路，这样，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值加大。因此也更大程度的减小了高频噪声。最后一级为门限电路，主要为过零电压比较器(施密特触发器)，它将输入信号整形成对称方波。三极管将前级输出的正半波截掉，只保留负半波，而将负半波反相，并限幅至接近正电源电位。三级共同作用构成了前置放大电路，其作用一方面是将弱信号放大，大信号限幅，整形成标准的方波信号供后级滤波器处理，一方面是滤处无用的噪声分量，只保留关键的频率信息。在增益上，第一级放大电路增益可以设计为40dB，第二级放大增益为25。

图2所示的为一路带通滤波器电路，坐标信号有四路，其它三路的电路结构与图2相同，区别在于RC构成的振荡频率不同。图2所示的一路带通滤波器为无限增益多端反馈电路，是典型的MFB型二阶带通滤波器，放大正向输入端接地，输入信号通过阻容网络接入到放大器反响输入端，其RC参数决定滤波器的中心频率，反相增益实现带通函数，器件的设计一般是从选定电容元件入手，然后根据滤波器要求的通带宽度确定电阻的大小。

在实际电路设计中，要求滤波器中心频率分别为9kHz、11kHz、15kHz、18kHz，由于滤波器对RC非常敏感，与之相关的RC设计精度较高，本实施例中，电容选择温漂较小、精度较高的NPO电容，精度为±5‰。电阻采用厚膜电阻，精度控制为±3‰。

图3所示的为位置标定电路中的一路电压比较电路，输入信号到放大器的反向输入端，与正向输入端的基准电压进行比较。电压比较电路具有四路输入端，其与带通滤波器的四路输出端相对应连接。每一个选通滤波器的输出信号进入相应比较电路的输入端。比较电路的参考电压VREF由正电源经电阻分压获得，本实施例中，比较电压为1.7V。滤波器输入到放大器反相端的正弦电压的峰值为3.4V，而3.4×sin30°＝1.7V，从图4可以看出，正弦波为输入波形，比较电平恰是正弦波峰值的一半，因此电路输出方波的占空比恰好是三分之一。输出的方波幅度，高电平为正电源电压，低电平为负电源电压。由于输入信号是接在运放的反相输入端，因此输出方波相位与输入正弦波相位应变反。

图5所示的为位置标定电路中的标定电路，三极管做开关管用，由比较器输出的双向方波进入标定电路。该电路的作用是将输入的双向方波变为单向方波，并把波形幅度整定(标定)为9V左右。当f1双向脉冲输入时，正脉冲使V10导通，三极管V9-1和V3-2截止，输出为零；负脉冲使V10截止，三极管V9-1和V3-2导通，正电压经过三极管V3-2，经电阻分压后，输出正脉冲的幅度约为9V，波形占空比仍为三分之一。在此标定电路中，三极管V10作为二极管使用，它的作用是当正脉冲输入时，可大大减小V9-1的eb结所承受的反压电压，避免管子损坏。同f2输出负脉冲的幅度和占空比均同上。

频率信号f1和f2不可能同时输入，因此输出端是正、负交替的单向方波。

图6所示的为低通滤波电路，为标准的压控电压源型低通滤波器，由运发和它的两个连接电阻R53、R55形成一个电压控制电压源，增益为1+R55/R53，该电路的作用是对标定电路送来的正方波脉冲和负方波脉冲顺序进行平滑滤波，得到一缓慢变化的直流信号。当电路输入占空比是三分之一、幅值为9.2V的连续单向脉冲时(与频率无关)，滤波器将输出同极性的6V直流电压(有几十毫伏的微小纹波)。如果在10ms周期内，只有半周期有脉冲，则滤波输出也只有6V的一半，即3V。如果输入的脉冲有正有负，且持续时间相同，则滤波输出为零。

该电压信号即坐标信号，Z通道和Y通道分别对应坐标系的横、纵坐标，用以表示该物体在坐标系中的位置。

整个坐标解码电路采用厚膜混合集成工艺技术实现，采用全气密性金属管壳封装，具体地，在版图布局时，外引线就近分配，这样实现比较简单的二层布线，版图中各个电阻均采用厚膜浆料印刷，滤波电容尽量靠近滤波点，为有源器件服务的其它元件也尽量与该器件靠近。对微弱信号进行隔离，解决了非线性放大增益设计、强弱信号互相干扰、大电流三极管开关对前级弱信号干扰问题。为减小开关电路对弱信号的干扰，将前置放大地、滤波电路地、比较及标定电路地进行隔离，在外围通过导电焊盘实现互连。在信号大的部分使用了跨接键合线替代二次导带的办法来减少信号串扰。

图7为坐标解码模块加工流程图，其依次通过厚膜成膜、激光调阻、裸芯片金丝线键合、环氧粘接及金属管壳平行封焊实现。

具体地，导电带采用采用金浆印制，金丝球键合实现有源器件的互连，元器件采用H37MP导电环氧或绝缘环氧粘接。基板与外壳采用环氧膜5020-1-.005粘接。

通过在线有源微调对带通滤波器外围电阻进行高精度的激光微调，在激光微调同时用频谱分析仪观察带通滤波器输出频谱特性，通过电阻同比例微调使滤波器中心频率逐渐向设定的中心频率点靠近，最终实现了高精度的中心频率和带宽，是实现解码高精度的关键因素之一。

图8为键合丝跨接的示意图，由于布板面积的局限性，在导带走线时，不可避免的会发生强、弱信号导带交错的情况，如采用二次导带，可能会造成强弱信号互相干扰，采用键合丝跨接方式，能有效避免这一情况的发生，解决了大电流开关信号对前级微弱信号的干扰问题。

图9为通过跨接0.8mm×0.8mm的过渡焊盘粘接于金属外壳作为强信号跨出的示意图，由于布线面积的限制，大部分导带较细、较长，易在导带上产生一定量的电阻(经测为10欧姆)，影响电路的参数。为此，在金属管壳内侧，粘接了过渡焊盘，将内阻较大的地线引出，形成整个电路的标准地的统一，从而优化了电路的整体性能。

由于产品应用环境为高过载平台，要求产品耐受7500g高过载冲击，为达到耐高过载的要求，综合考虑环氧粘接剂与元器件和基片的化学及物理相容性，选用H37MP型导电环氧树脂粘接剂作为芯片与成膜基片间的粘接材料，同时对元器件进行加固处理。

为满足该系统高可靠性、小体积的要求，最终采用标准18引线双列直插式金属外壳全气密性封装。

本发明通过厚膜混合集成工艺研制出的坐标解码电路，其具有体积小、功耗低、动态范围大、解码精度高、工作温度范围宽、可靠性高、抗高过载能力强等优点，申请人对本申请电路功能以及传统电路进行了验证，从下表指标上可明显看出本申请坐标解码电路的显著技术效果：

指标对比

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种坐标解码模块，包括用于将输入的不规则四象限编码信号变换为标准脉冲信号输出的前置放大电路、与前置放大电路输出端相电连接用于根据设定的对应平面坐标四个方向的中心频率对输入信号进行选通的四通道带通滤波电路、与四通道带通滤波电路输出端相连接用于将相应通道输出的频率信号转换为幅值相同的单向方波信号的位置标定电路、与位置标定电路输出端相电连接用于将位置标定电路输出的单向方波信号转换为直流电压信号的低通滤波电路；

所述的前置放大电路由依次相电连接的第一级限幅、第二级放大以及第三级门限电路组成，其由三级运放外加相应的反馈电路组成，每一级运放的输入端都加入耦合电容，第一级反馈电路中并联两个用于限幅的二极管，第一级运放的输入端还连接一RC电路，最后一级运放为门限电路，其为过零电压比较器，其将输入信号整形成对称方波；

所述的带通滤波电路为无限增益多端反馈电路，

所述的位置标定电路由一比较电路和标定电路组成，所述的比较电路具有四个输入端，每个输入端与相应的带通滤波器的输出端相连接，各带通滤波器输出的正弦波信号经比较电路后输出方波，且方波的相位与正弦波的相位相反；所述的标定电路具有两个输入端，其分别接收双向方波信号，并转换为正负交替的单向方波信号输出；所述的比较电路输出占空比为参考电压三分之一的方波信号；所述的标定电路为单管开关电路；

且所述的前置放大电路、带通滤波电路、位置标定电路、低通滤波电路基于厚膜混合集成为一模块电路，所述的坐标解码模块在厚膜混合集成时采用键合丝跨接实现裸芯片之间的连接，所述的坐标解码模块在厚膜混合集成时采用过渡焊盘粘接于金属外壳上作为强信号电流的跨出。

2.根据权利要求1所述的坐标解码模块，其特征在于：所述的第一级限幅电路由运放、反馈连接在运放输入端与输出端的两并联二极管组成。

3.根据权利要求1所述的坐标解码模块，其特征在于：所述的带通滤波器为二阶MFB带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的坐标解码模块，其特征在于：所述的四个方向的中心频率为9kHz、11kHz、15kHz、18kHz。

5.根据权利要求4所述的坐标解码模块，其特征在于：形成带通滤波器相应振荡频率的RC电路，其中电阻选用精度为±3‰的厚膜电阻，电容采用具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。

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