CN108088480A - 编码器和信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

参考电压生成器电路生成与电源电压对应的参考电压。电流/电压转换器电路将由光接收器输出的光电流转换为电压，并且输出通过将转换后的电压与参考电压相加而获得的电压。采样和保持电路响应于采样和保持信号而保持电容器的电压，电容器具有在一端处输入的电压和在另一端处输入的参考电压。放大器电路输出输出信号，其中由采样和保持电路保持的电压以参考电压作为参考被放大。

Description

编码器和信号处理电路
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月22日提交的日本申请第2016-226888号的优先权，该申请的公开内容通过引用被明确地整体并入本文。
技术领域
本发明涉及编码器和信号处理电路。
背景技术
编码器被安装在诸如千分表或指示器的位移测量设备中以便测量位移量。这样的编码器的已知示例是使用光学干涉来测量位移量的光学编码器。此外，编码器大致分为测量相对位移量的增量编码器、和检测绝对位置的绝对编码器。例如，日本专利第5,771,070号的说明书提出了一种用于绝对型光学编码器的配置。
在示例性光学编码器中，来自诸如发光二极管的发光元件的照明光照耀到标尺上，并且穿过标尺的光被诸如提供给光接收器的光电二极管的光接收器元件接收。绝对型光学编码器被提出作为这样的编码器的示例(例如，在日本专利第5,771,070号的说明书中)。在这样的绝对型光学编码器中，由光电二极管生成的光电流被电流/电压转换器电路转换为电压信号，并且转换后的电压信号被信号处理电路处理。信号处理电路被安装在绝对位置检测器电路中，该绝对位置检测器电路检测标尺的位移量并计算绝对位置。
现在描述上述光学编码器中的示例性信号处理电路。图7图示了将光接收器元件的光电流转换为电压信号并处理该电压信号的信号处理电路的示例性配置。图7中所示的信号处理电路600包括参考电压生成器电路61、电流/电压转换器电路62、采样和保持电路63以及放大器电路64。
参考电压生成器电路61基于电源电压VDD生成参考电压REF。如图7所示，参考电压生成器电路61包括电阻器R61、电阻器R62和运算放大器A61。电阻器R61和电阻器R62在电源电压VDD和地GND之间以这个次序串联连接，并且作为电源电压VDD的分压(division)的参考电压REF从电阻器R61和电阻器R62之间的节点输出。从由电阻器R61和电阻器R62配置的分压电阻器输出的参考电压REF被输入到运算放大器A61的非反相(non-inverting)输入端子。运算放大器A61的反相(inverting)输入端子和输出端子被连接为电压跟随器(voltagefollower)，并且参考电压REF从输出端子输出。
电流/电压转换器电路62将流到光接收器元件65的光电流Ipda转换为电压Viva。如图7所示，电流/电压转换器电路62包括运算放大器A62、电阻器R63和电容器C61。由参考电压生成器电路61输出的参考电压REF被输入到运算放大器A62的非反相输入端子。运算放大器A62的反相输入端子连接到光接收器元件65的阴极。此外，电阻器R63和电容器C61并联连接在运算放大器A62的反相输入端子和输出端子之间。利用上述配置，流到光接收器元件65的光电流Ipda被转换为电压信号Viva，并且电压信号Viva从运算放大器A62的输出端子输出。
采样和保持电路63响应于采样和保持信号保持从电流/电压转换器电路62输出的电压信号Viva。如图7所示，采样和保持电路63包括运算放大器A63、电容器C62和开关SW1。开关SW1插入在电流/电压转换器电路62的输出端子(即，运算放大器A62的输出端子)和运算放大器A63的非反相输入端子之间。开关SW1被配置为能够响应于采样和保持信号SH而打开和关闭。电容器C62的一端连接在开关SW1和运算放大器A63的非反相输入端子之间。电容器C62的另一端连接到地GND。运算放大器A63的反相输入端子和输出端子被连接为电压跟随器，并且电压信号VH(电压信号Viva在电压信号VH处被保持)从输出端子输出。
以由参考电压生成器电路61输出的参考电压REF作为参考，放大器电路64放大由采样和保持电路63保持的电压信号VH，并输出放大后的电压作为输出信号VOUT。如图7所示，放大器电路64包括运算放大器A64、电阻器R64和电阻器R65。由参考电压生成器电路61输出的参考电压REF被输入到运算放大器A64的非反相输入端子。电阻器R64插入在采样和保持电路63的输出端子(即，运算放大器A63的输出端子)和运算放大器A64的反相输入端子之间。电阻器R65插入在运算放大器A64的输出端子、和电阻器R64与运算放大器A64的反相输入端子之间的空间之间。相应地，输出信号VOUT从运算放大器A64的输出端子输出作为参考电压REF，输出信号VOUT具有由采样和保持电路63保持的放大后的电压。
接下来，描述信号处理电路600的操作。在时间T0之前，采样和保持信号SH的电平为HIGH，并且采样和保持电路63的开关SW1闭合。相应地，电压Viva被输入到采样和保持电路63。
然后，在时间T0，当采样和保持信号SH的电平从HIGH转变为LOW时，采样和保持电路63的开关SW1打开。此时，采样和保持电路63保持时间T0的电压Viva(Viva(T0)＝VH)。
此时，检查由电流/电压转换器电路62输出的电压Viva。在时间(T0)的电压信号VH由以下公式[1]表示。
VH＝Ipda·R1+REF(T0) [1]
在本配置中，在采样和保持之后的放大器电路64的输出信号VOUT由以下公式[2]表示，其中增益被指定为G.
VOUT＝G(VH-REF)+REF
＝G(Ipda·R1+REF(T0)-REF)+REF [2]
在上述信号处理电路600中，通过分压电源电压VDD生成参考电压REF。但是，电源电压VDD可以变化，并且作为结果，参考电压REF也可以响应于电源电压VDD的变化而变化。具体而言，在上述信号处理电路600中，如公式[2]中所示，随时间变化的参考电压REF的值可能导致与在时间T0的参考电压的值REF(T0)不同的值。结果，输出信号VOUT取决于参考电压REF，并且不仅右侧的第二元素(指示偏移量)变化，而且乘以增益G的右侧的第一元素也变化。这充当输出信号VOUT的增益的变化，并且因此不能准确地评估光接收器元件65的光电流的变化。结果，使用输出信号VOUT的位置检测的准确度降低。
此外，如在例如日本专利第5,771,070号的说明书中的使用四相信号的配置中，有利的配置包括四组上述电流/电压转换器电路62、采样和保持电路63和光接收器元件65，并且经由开关电路将来自这些组的信号输入到放大器电路65。但是，即使当对该四个组中的每个组在同一时间点执行采样时，为了使每个相位被开关电路选择性地反射，每个相位的算术运算定时对反映每个相位的输出信号VOUT也不同。结果，即使在对每个相位的算术运算中使用的参考电压不同，结果也因此是位置检测准确度降低。
作为对照，参考电压和通过转换光接收器元件的光电流而获得的电压信号可以在相同的时间点被保持并被比较，从而可以抑制输出信号的变化。图8图示了将光接收器元件的光电流转换为电压信号并处理该电压信号的信号处理电路的另一个示例性配置。图8所示的信号处理电路700具有其中采样和保持电路66被添加到上述信号处理电路600的配置。
采样和保持电路66响应于采样和保持信号而保持从参考电压生成器电路61输出的参考电压REF。如图8所示，采样和保持电路66包括运算放大器A66、电容器C63和开关SW2。开关SW2插入在参考电压生成器电路61的输出端子(即，运算放大器A61的输出端子)和运算放大器A66的非反相输入端子之间。开关SW2被配置为能够响应于采样和保持信号SH而打开和关闭。电容器C63的一端连接在开关SW2和运算放大器A66的非反相输入端子之间。电容器C63的另一端连接到地GND。运算放大器A66的反相输入端子和输出端子连接为电压跟随器，并且参考电压REFH(在参考电压REFH处参考电压REF被保持)从输出端子输出到放大器电路64的非反相输入端子。
接下来，描述信号处理电路700的操作。在时间T0之前，采样和保持信号SH的电平为HIGH，并且采样和保持电路63的开关SW1和采样和保持电路66的开关SW2闭合。相应地，电压Viva被输入到采样和保持电路63，并且参考电压REF被输入到采样和保持电路66。
然后，在时间T0，当采样和保持信号SH的电平从HIGH转变为LOW时，采样和保持电路63的开关SW1和采样和保持电路66的开关SW2打开。此时，采样和保持电路63保持时间T0的电压Viva(Viva(T0)＝VH)，并且采样和保持电路66保持时间T0的参考电压REFH。
此时，检查由电流/电压转换器电路62输出的电压Viva。在时间(T0)的电压信号VH由以下公式[3]表示。
VH＝Ipda·R1+REFH [3]
此外，在采样和保持之后的放大器电路64的输出信号VOUT由以下公式[4]表示，其中增益被指定为G.
VOUT＝G(VH–REFH)+REFH [4]
如公式[4]所表示的，由采样和保持电路66输出的参考电压REF和参考电压REFH具有在同一时间点被采样的相同的值。相应地，即使当参考电压REF在时间T0或之后变化时，放大器电路64也可以输出恒定的输出信号VOUT而不受参考电压REF的变化的影响。
尽管如上所述可以通过使用两个采样电路来抑制电源电压或参考电压的变化的影响，但是采样和保持电路使用具有相对而言大的电路规模的运算放大器等，并且因此存在信号处理电路的规模增大的问题。
此外，与信号处理电路600的情况类似，为了用编码器执行位置检测，从信号处理电路700输出的输出信号VOUT被用于用另一个算术运算设备执行的算术运算。但是，在算术运算期间，输出信号VOUT可以与例如参考电压REF进行比较。此时，虽然输出信号VOUT不受参考电压REF的变化的影响，但是可以想到的是，(其它算术运算设备将其与输出信号VOUT进行比较的)参考电压REF可能由于电源电压的变化而从时间T0值变化。在这种情况下，比较输出信号VOUT与参考电压REF的结果可能受到参考电压REF的变化的影响。此外，在通过外部模拟/数字(AD)转换器将输出信号转换为数字信号的情况下，可以将电源电压指定为参考电压。因此，可能会存在来自电源电压的变化的影响。如上所述，即使在对应于四相信号的配置中，尽管可以使对于每个相位的输出电压恒定，但是(在算术运算期间输出电压与其进行比较的)参考电压REF发生变化，并且因此由于算术运算定时的差异而导致的位置检测准确度的降低是不可避免的。
鉴于上述内容，可以理解的是，在信号处理电路的输出信号被另一个算术运算设备等使用的情况下，信号处理电路的输出信号优选地根据电源电压或参考电压的变化而变化。
发明内容
本发明鉴于以上情况而被构想，并且本发明通过简单的配置实现了光学编码器中的高度准确的位置检测，而与电源电压的变化无关。
根据本发明的一个方面的编码器包括光源、接收来自光源的光的标尺、接收来自标尺的光并输出与接收到的光对应的信号的光接收器、以及根据来自光接收器的信号计算光接收器和标尺之间的位置关系的信号处理电路。信号处理电路包括参考电压生成器电路、电流/电压转换器电路、采样和保持电路和放大器电路。参考电压生成器电路生成与电源电压对应的参考电压。电流/电压转换器电路将由光接收器元件输出的光电流转换为电压，并且输出通过将转换后的电压和参考电压相加而获得的电压信号。采样和保持电路响应于采样和保持信号而保持第一电容器的电压，第一电容器具有在一端处输入的从电流/电压转换器电路输出的电压信号、和在另一端处输入的参考电压，第一电容器的电压是在电压信号被输入的一侧上的一端处的电压。放大器电路输出输出信号，其中由采样和保持电路保持的电压以参考电压作为参考被放大。
根据本发明另一个方面的编码器是上述编码器，其中采样和保持电路包括：开关，从电流/电压转换器电路输出的电压信号被输入到其的一端，该开关与采样和保持信号同步打开和关闭；以及第一运算放大器，其中一个输入端子和输出端子连接，并且另一个输入端子连接到开关的另一端和第一电容器的一端。当开关打开时的第一运算放大器的输出端子的电压被输出作为保持电压。
根据本发明的另一个方面的编码器是上述编码器，其中电流/电压转换器电路包括：第二运算放大器，其中参考电压被输入到一个输入端子，另一个输入端子连接到光接收器元件的一端，并且电压信号从输出端子输出；以及在连接到光接收器元件的第二运算放大器的输入端子和第二运算放大器的输出端子之间并联连接的第二电容器和第一电阻器。放大器电路包括：第二电阻器，其具有连接到第一运算放大器的输出端子的一端；第三运算放大器，其中参考电压被输入到一个输入端子并且输出信号从输出端子输出；以及第三电阻器，其具有连接到第三运算放大器的输出端子的一端。第三运算放大器的另一个输入端子连接到第二电阻器的另一端和第三电阻器的另一端。
根据本发明的另一个方面的编码器是上述编码器，其中参考电压生成器电路包括：第四电阻器，其具有输入到一端的电源电压；第五电阻器，其具有比输入到一端的电源电压更低的固定电压；以及第四运算放大器，其具有连接到第四电阻器的另一端和第五电阻器的另一端的一个输入端子、具有连接到输出端子的另一个输入端子、并且从输出端子输出参考电压。
根据本发明的另一个方面的信号处理电路包括参考电压生成器电路、电流/电压转换器电路、采样和保持电路和放大器电路。参考电压生成器电路生成与电源电压对应的参考电压。电流/电压转换器电路将由光接收器元件输出的光电流转换为电压，并且输出通过将转换后的电压和参考电压相加而获得的电压信号。采样和保持电路响应于采样和保持信号而保持第一电容器的电压，第一电容器具有在一端处输入的从电流/电压转换器电路输出的电压信号、和在另一端处输入的参考电压，第一电容器的电压是在电压信号被输入的一侧上的一端处的电压。放大器电路输出输出信号，其中由采样和保持电路保持的电压以参考电压作为参考被放大。
根据本发明，通过简单的配置可以实现光学编码器中的高度准确的位置检测，而与电源电压的变化无关。
通过以下具体实施方式和附图阐明了本发明。参考附图仅仅是为了便于理解，并不用作限制本发明。
附图说明
在下面的具体实施方式中，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例的方式参考所提及的多个附图进一步描述了本发明，其中贯穿附图的几个视图，相似的参考标号表示类似的部分，并且其中：
图1是示意性地图示根据第一实施例的结合光学编码器的千分表的配置的前视图；
图2是图示根据第一实施例的光学编码器的示意配置的展开图(developmentplan)；
图3图示了绝对标尺图案和信号检测器的配置；
图4是示意性地图示根据第一实施例的信号处理电路的配置的框图；
图5是图示根据第一实施例的信号处理电路的配置的进一步细节的电路图；
图6是图示根据第一实施例的信号处理电路的操作的时序图；
图7图示了将光接收器元件的光电流转换为电压信号并处理该电压信号的信号处理电路的示例性配置；以及
图8图示了将光接收器元件的光电流转换为电压信号并处理该电压信号的信号处理电路的另一个示例性配置。
具体实施方式
本文所示的细节仅仅作为示例，并且仅仅出于对本发明的实施例的说明性讨论的目的，以及为了提供被认为是本发明的原理和概念方面最有用和容易理解的描述而给出。在这方面，没有试图比本发明的基本理解所必需的更详细地显示本发明的结构细节，与附图一起采用的描述使得本发明的形式如何可以在实践中具体实现对本领域技术人员显而易见。
在下文中，参考附图描述了本发明的实施例。相同的标号在多个附图中的每个附图中被分配给相同的元件，并且重复的描述在必要时被省略。
第一实施例
描述根据第一实施例的光学编码器。图1是示意性地图示根据第一实施例的结合光学编码器的千分表101的配置的前视图。千分表101包括主体102、显示器103、操作按钮104、阀杆(stem)105、主轴(spindle)106、触头(stylus head)107和输出端口108。
主体102具有基本上圆形柱状形状，其中图1的绘图平面的竖直方向上的高度小于图1的绘图平面的水平方向上的宽度。显示例如测得的值的显示器103在主体102的一个表面上提供。
阀杆105具有基本上圆柱形状，并且被提供以便从主体102的外边缘突出。
主轴106是基本上圆柱形的构件、通过阀杆105插入、并且被支撑以便能够在阀杆105的长度方向上滑动。使得与被测物体接触的触头107被接合到从阀杆105突出的主轴106的最前端。
检测主轴106的位移量的位移量检测器(附图中未示出)在主体102的内部提供。为了检测位移量，位移量检测器包括光学编码器10(下面描述)，并且使用光学编码器10，主轴106的位移量在固定的周期被检测到并输出到显示器103。显示器103被配置为能够显示从位移量检测器输出的测量结果。
操作按钮104用于重置显示器103上显示的测量结果、切换显示范围等。在这个示例中，提供了三个操作按钮104，但是操作按钮104的数量不限于此。
例如，输出端口108被配置为使得能够连接外部设备，并且可以将测量结果输出到外部。
接下来描述根据第一实施例的光学编码器10。在本实施例中，光学编码器10被配置为使用双重调制标尺轨道图案(下文中称为DMST图案)的绝对光学编码器。图2是图示根据第一实施例的光学编码器10的示意配置的展开图。如图2所示，光学编码器10包括照明器20、标尺21和信号检测器23。
照明器20和信号检测器23被布置成具有固定的相对位置。信号检测器23和照明器20被配置为能够沿着作为标尺21的长度方向的测量方向(图2中的X轴方向)相对于标尺21进行相对位移。标尺21被提供有在位置检测时使用的绝对标尺图案22。当照明器20以绝对标尺图案22发出光时，生成干涉光。通过检测干涉光的测量方向的变化，信号检测器23可以检测标尺21和信号检测器23之间的位置关系。
照明器20被配置为用可见或不可见波长照明标尺21的部件。照明器20例如包括光源11、透镜13和光源格栅(lattice)14。光源11被配置为能够发射可见或不可见波长的光。光源11连接到下面描述的信号处理电路25，并且表现为以固定周期间歇地发出光的光源。从光源11发出的光30被透镜13部分地或者全部地转换为平行光束，以便具有照明标尺21的预定区域的充足光束区域。光源格栅14使来自透镜13的平行光束成为在测量方向上的均匀照度，之后该平行光束到达标尺21。在来自透镜13的平行光束的照明分布足够均匀的情况下，可以提供不具有光源格栅14的照明器。
标尺21包括绝对标尺图案22。绝对标尺图案22由增量轨道图案TINC、绝对轨道图案TABS1和绝对轨道图案TABS2配置。上述命名的DMST图案可以用作绝对轨道图案TABS1和绝对轨道图案TABS2。
其上形成绝对标尺图案22的标尺21的平面是平行于X方向(测量方向)和Y方向(垂直于X方向)的平面。在图2中，测量方向用参考标记MA绘出。此外，在图1中，垂直于其上形成绝对标尺图案22的标尺21的平面(即，X-Y平面)的方向被指定为Z方向。
信号检测器23包括检测器轨道24和信号处理电路25。例如，信号检测器23可以被配置为单个互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路。检测器轨道24包括三个检测器轨道DINC、DABS1和DABS2。检测器轨道DINC、DABS1和DABS2被布置以分别从增量轨道图案TINC、绝对轨道图案TABS1和绝对轨道图案TABS2接收图案化的光。信号处理电路25被配置为处理指示检测器轨道24的检测结果的信号的电路。
如上所述，从光源11发出的光30被透镜13转换为平行光束。在图1中，示意性地图示了光30的三个光程(optical path)31、32和33。光程31是包括照明增量轨道图案TINC的光的代表性中心光程。光程32和33分别是包括照明绝对轨道图案TABS2和TABS1的光的代表性光程。
在使用光源格栅14的情况下，光源格栅14具有包括开口的格栅结构，其中代表性光程31周围的光以增量轨道图案TINC的间距(pitch)或以大体上符合波长的间距布置。来自透镜13的平行光束穿过光源格栅14的格栅结构并根据所谓的自成像照明原理来照射(strike)增量轨道图案TINC。
当增量轨道图案TINC被照明时，空间调制的光图案(例如，多个衍射光的干涉条纹(interference fringe)中的光)被朝着信号检测器23的检测器轨道DINC输出。例如，当轨道具有大约8μm或更小的轨道波长时，增量轨道图案TINC被配置为使得多个衍射光(例如，±1维衍射光)在检测器轨道DINC上生成干涉条纹。此外，例如，当轨道具有大约8到40μm的轨道波长时，增量轨道图案TINC被配置为使得几个衍射光彼此作用，并且在检测器轨道DINC的平面上生成自图像(例如，Talbot图像或Fresnel图像)。
绝对轨道图案TABS2和TABS1被配置以分别生成投影到检测器轨道DABS2和DABS1上的图像(例如，模糊或不模糊的图像)。当绝对轨道图案TABS1被照明时，空间调制的光图案(例如，与绝对轨道图案TABS1对应的图案化的光)被朝着信号检测器23的检测器轨道DABS1输出。当绝对轨道图案TABS2被照明时，空间调制的光图案(例如，与绝对轨道图案TABS2对应的图案化的光)被朝着信号检测器23的检测器轨道DABS2输出。
空间调制的光图案与标尺21一起位移。为了利用检测器轨道DINC、DABS1和DABS2中的每一个获得期望的检测信号，多个光检测器区域被排列成，例如，使得空间调制的光图案可以被空间滤波和检测。多个检测器区域可以通过在测量方向上排列多个光检测器来配置，或者可以通过使光通过在测量方向上被提供有多个开口的空间滤波器掩模照射具有大表面面积的光检测器来实现。
图2中绘出的轨道图案的配置仅仅是示例性的，并且，只要该图案可以被检测器轨道检测到，当然也可以采用其它配置和布置。
接下来，下面是绝对标尺图案22和信号检测器23的更详细的描述。图3图示了绝对标尺图案22和信号检测器23的配置。为了便于描述，在图3中，在沿着Z方向观察X-Y平面时，信号检测器23和绝对标尺图案22被绘出为彼此并排。
在图3中，绝对轨道图案TABS1的空间波长是L1，并且绝对轨道图案TABS2的空间波长是L2。绝对轨道图案TABS1和绝对轨道图案TABS2被提供有对为强度而空间调制的光图案透明(或反射为强度而空间调制的光图案)的图案。这样的图案被配置为使得Y方向宽度(截面尺寸)作为沿着测量方向MA(X方向)的位置的函数而变化。
例如，检测器轨道DINC、DABS1和DABS2中的每一个具有被布置成配置正交检测器的多个光检测器。在这个示例中，检测器轨道中的每一个具有以相等间隔布置的四个相邻的检测器元件，以便创建检测接收到的空间调制的光图案的四个空间相位(具体地，0°、90°、180°和270°)的空间滤波器。提供了以这种方式布置的多组四个相邻的检测器元件，并且如图3所示，来自多个组并且与空间相位中的每一个相关联的信号被相加。总计的信号使用四个符号A(0°)、B(90°)、A-(180°)和B-(270°)来指示。具体而言，与检测器轨道DINC对应的四个正交信号被指定为信号Ainc、Binc、A-inc和B-inc。类似地，检测器轨道DABS1的四个正交信号被指定为信号Aabs1、Babs1、A-abs1和B-abs1，并且检测器轨道DABS2的四个正交信号被指定为信号B-abs2、A-abs2、Babs2和Aabs2。
对正交信号进行处理，以便确定对应标尺轨道的当前本地波长内的每个轨道的空间相位位置。特别地，当绝对轨道图案TABS1和绝对轨道图案TABS2中的至少一个是包括传达(impart)包括强度调制分量的空间调制的光图案的特性的DMST图案时，获得与强度调制分量的四个空间相位(即，0°、90°、180°和270°)对应的信号。
例如，通过对从绝对轨道图案TABS1(波长L1)和绝对轨道图案TABS2(波长L2)导出的正交信号执行与在日本专利第5,771,070号中的信号处理类似的信号处理，可以获得复合波长位置信号，该信号以复合波长S周期性地变化。
S＝L1×L2/|L1-L2|
同样，再次类似于日本专利第5,771,070号，可以获得展现出具有比复合波长S更长的周期性、或者比复合波长S更平缓的宽范围位置信号。鉴于以上，通过组合宽范围位置信号和复合波长信号，可以确切地测量绝对位置。
在一个示例中，绝对标尺图案22的总宽度可以被设定为大约3.0mm或更小。绝对轨道图案TABS2的波长L2可以被设定为L2＝720μm，并且绝对轨道图案TABS1的波长L1可以被设定为L1＝700μm。增量轨道图案TINC的波长可以被设定为20μm。根据日本专利第5,771,070号，可以因此获得大约25.2mm的复合波长。在前面的情况中给出的配置和尺寸仅仅是示例性的，并且本发明不限于这些配置和尺寸。
接下来，给出根据第一实施例的信号处理电路100的描述。信号处理电路100与上述信号处理电路25对应，并且在本文中描述专注于输出基于光接收器元件的光电流的电压信号的信号处理电路100的一部分。换句话说，信号处理电路的配置不限于以下描述中的配置，并且可以提供用于在编码器中执行位置检测的其它电路等。
图4是示意性地图示根据第一实施例的信号处理电路100的配置的框图。图5是图示根据第一实施例的信号处理电路100的配置的进一步细节的电路图。信号处理电路100包括参考电压生成器电路1、电流/电压转换器电路2、采样和保持电路3和放大器电路4。
参考电压生成器电路1基于电源电压VDD生成参考电压REF。如图5所示，参考电压生成器电路1包括电阻器R11(也称为第四电阻器)、电阻器R12(也称为第五电阻器)和运算放大器A1(也称为第四运算放大器)。电阻器R11和电阻器R12在电源电压VDD和地GND之间以这个次序串联连接，并且作为电源电压VDD的分压的参考电压REF从电阻器R11和电阻器R12之间的节点输出。从由电阻器R11和电阻器R12配置的分压电阻器输出的参考电压REF被输入到运算放大器A1的非反相输入端子。运算放大器A1的反相输入端子和输出端子作为电压跟随器被连接，并且参考电压REF从输出端子输出。
电流/电压转换器电路2将流到光接收器元件5的光电流Ipda转换为电压信号Viva。如图5所示，电流/电压转换器电路2包括运算放大器A2(也称为第二运算放大器)、电阻器R21(也称为第一电阻器)和电容器C21(也称为第二电容器)。由参考电压生成器电路1输出的参考电压REF被输入到运算放大器A2的非反相输入端子。运算放大器A2的反相输入端子连接到光接收器元件5的阴极。此外，电阻器R21和电容器C21并联连接在运算放大器A2的反相输入端子和输出端子之间。利用上述配置，流到光接收器元件5的光电流Ipda被转换为电压信号Viva，并且电压信号Viva从运算放大器A2的输出端子输出。
采样和保持电路3响应于采样和保持信号保持从电流/电压转换器电路2输出的电压信号Viva。如图5所示，采样和保持电路3包括运算放大器A3(也称为第一运算放大器)、电容器C31(也称为第一电容器)和开关SW。开关SW插入在电流/电压转换器电路2的输出端子(即，运算放大器A2的输出端子)和运算放大器A3的非反相输入端子之间。开关SW被配置为能够响应于采样和保持信号SH而打开和关闭。电容器C31的一端连接在开关SW和运算放大器A3的非反相输入端子之间。电容器C31的另一端连接到参考电压生成器电路1的输出端子(换句话说，连接到运算放大器A1的输出端子)，并且参考电压REF被输入到其。下面描述采样和保持电路3的采样和保持操作。
放大器电路4被配置为具有偏移量的反相放大器，其放大由采样和保持电路3保持的电压、并且输出放大后的电压作为输出信号VOUT。在这个示例中，从参考电压生成器电路1输出的参考电压REF作为偏移量被输入。如图5所示，放大器电路4包括运算放大器A4(也称为第三运算放大器)、电阻器R41(也称为第二电阻器)和电阻器R42(也称为第三电阻器)。从参考电压生成器电路1输出的参考电压REF作为偏移电压被输入到运算放大器A4的非反相输入端子。电阻器R41被插入在采样和保持电路3的输出端子(即，运算放大器A3的输出端子)和运算放大器A4的反相输入端子之间。电阻器R42被插入在运算放大器A4的输出端子、和电阻器R41与运算放大器A4的反相输入端子之间的空间之间。相应地，输出信号VOUT从运算放大器A4的输出端子输出，输出信号VOUT是通过放大由采样和保持电路3保持的电压并且将结果得到的电压偏移参考电压REF而获得的电压。
接下来，描述信号处理电路100的操作。图6是图示根据第一实施例的信号处理电路100的操作的定时图。在本实施例中，如图6所示，当电源电压VDD有变化时，通过对电源电压VDD分压而生成的参考电压REF也随之变化。
在这个示例中，在时间T0之前，采样和保持信号SH的电平为HIGH，并且采样和保持电路3的开关SW是闭合的。相应地，电压信号Viva被输入到采样和保持电路3。
然后，在时间T0，当采样和保持信号SH的电平从HIGH转变为LOW时，采样和保持电路3的开关SW打开。此时，参考电压REF被输入到采样和保持电路3的电容器C31的一端，因此电容器C31被充以与电压Ipda·R21对应的电荷，其中参考电压REF从Viva＝Ipda·R21+REF中被减去。相应地，如公式[5]中所示，当开关SW打开时，采样和保持电路3保持通过将参考电压REF与来自被充入到电容器C31中的电荷的电压Ipda·R21相加而计算出的电压作为电压信号VH。
VH＝Ipda·R21+REF [5]
如上所述，放大器电路4被配置为具有作为参考电压REF的偏移量的反相放大器，并且因此输出信号VOUT由以下公式[6]表示，其中公式[6]中的由电阻器R41和电阻器R42确定的增益由G(G＝-R42/R41)给出。
VOUT＝G(VH-REF)+REF [6]
此时，输入到采样和保持电路3的电容器C31的参考电压REF和输入到放大器电路4的运算放大器A4的参考电压REF彼此连同地变化，并且因此上述公式[6]可以被修改为以下公式[7]。
VOUT＝G(Ipda·R21+REF-REF)+REF
＝G·Ipda·R21+REF [7]
如公式[7]中所示，在右侧被乘以增益G的第一元素由电阻器R21和流到光接收器元件5的光电流Ipda的值确定。因此，受增益影响的输出信号VOUT的分量是恒定的并且独立于参考电压REF。作为对照，在左侧指示偏移量的第二元素是参考电压REF的值，并且因此输出信号VOUT可以被理解为变化以便在增益分量保持不变时跟踪参考电压REF的变化。相应地，可以防止输出信号VOUT的增益的变化，并且可以在输出信号VOUT以高准确度来反映光电流的变化。
如上所述，在本配置的情况下，使用单个采样电路是足够的，因此，与上述信号处理电路700相比，可以用具有小电路规模的更简单的配置来抑制由于电源电压或参考电压的变化而导致的影响。
而且，在使用上述四相信号的配置中，例如，诸如在日本专利第5,771,070号的说明书中所讨论的配置中，对于使用反映每个相位的输出信号的算术运算，定时不同。但是，在本配置中，输出信号跟踪电源电压或参考电压的变化，因此即使在算术运算定时不同时，参考电压的变化也被抵消掉。因此，可以理解的是，可以抑制由于每个相位的算术运算定时的差异而引起的误差，并且可以提高位置检测准确度。
此外，为了用编码器执行位置检测，从信号处理电路100输出的输出信号VOUT可以在另一个算术运算设备执行的算术运算中使用，并且可以与例如参考电压REF进行比较。此时，如上所述，输出信号VOUT的变化跟踪作为偏移分量的参考电压REF的变化。相应地，存在输出信号VOUT相对于(其它算术运算设备将其与输出信号VOUT进行比较的)参考电压REF的类似的变化。结果，基于比较输出信号VOUT与参考电压REF的结果，可以消除参考电压REF的变化的影响。由此，编码器可以执行稳定的位置检测，而与电源电压或参考电压的变化无关。
其他实施例
而且，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以按需进行修改。例如，上述参考电压生成器电路、电流/电压转换器电路、采样和保持电路以及放大器电路的配置仅仅是示例性的，并且只要可以实现类似的功能，就可以添加其它元件或者可以采用其它配置。
应当注意的是，前述示例仅仅是为了解释的目的而提供，而不是以任何方式被解释为限制本发明。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本文已经使用的词语是描述和说明的词语，而不是限制的词语。如当前陈述和修改的，在所附权利要求的范围内，可以在不脱离本发明的各个方面的范围和精神的情况下进行改变。虽然本文已经参考特定结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不意图限于本文公开的细节；相反，本发明扩展到诸如在所附权利要求的范围内的所有功能上等同的结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种编码器，包括：
光源；
标尺，其接收来自光源的光；
光接收器，其接收来自标尺的光并输出与接收到的光对应的信号；以及
信号处理电路，其根据来自光接收器的信号计算光接收器和标尺之间的位置关系，其中所述信号处理电路包括：
参考电压生成器电路，其生成与电源电压对应的参考电压；
电流/电压转换器电路，其将由光接收器输出的光电流转换为电压，
并且输出通过将转换后的电压与参考电压相加而获得的电压信号；
采样和保持电路，其响应于采样和保持信号而保持第一电容器的电压，第一电容器具有在一端处输入的从电流/电压转换器电路输出的电压信号、和在另一端处输入的参考电压，第一电容器的电压是在电压信号被输入的一侧上的一端处的电压；以及
放大器电路，其输出输出信号，其中由采样和保持电路保持的电压以参考电压作为参考被放大。
2.如权利要求1所述的编码器，其中所述采样和保持电路包括：
开关，从电流/电压转换器电路输出的电压信号被输入到所述开关的一端，所述开关与采样和保持信号同步地打开和闭合；以及
第一运算放大器，其中一个输入端子和输出端子连接，并且另一个输入端子连接到所述开关的另一端并且连接到第一电容器的一端，其中当所述开关打开时第一运算放大器的输出端子的电压作为保持电压被输出。
3.如权利要求2所述的编码器，其中：
所述电流/电压转换器电路包括：
第二运算放大器，其中参考电压被输入到一个输入端子，另一个输入端子连接到光接收器的一端，并且电压信号从输出端子输出；以及
第二电容器和第一电阻器，其在连接到光接收器的第二运算放大器的输入端子和第二运算放大器的输出端子之间并联连接，
所述放大器电路包括：
第二电阻器，其具有连接到第一运算放大器的输出端子的一端；
第三运算放大器，其中参考电压被输入到一个输入端子并且输出信号从输出端子输出；以及
第三电阻器，其具有连接到第三运算放大器的输出端子的一端，并且
第三运算放大器的另一个输入端子连接到第二电阻器的另一端和第三电阻器的另一端。
4.如权利要求1所述的编码器，其中所述参考电压生成器电路包括：
第四电阻器，其具有输入到一端的电源电压；
第五电阻器，其具有输入到一端的比所述电源电压更低的固定电压；以及
第四运算放大器，其具有连接到第四电阻器的另一端和第五电阻器的另一端的一个输入端子，具有连接到输出端子的另一个输入端子，并且从所述输出端子输出参考电压。
5.如权利要求2所述的编码器，其中所述参考电压生成器电路包括：
第四电阻器，其具有输入到一端的电源电压；
第五电阻器，其具有输入到一端的比所述电源电压更低的固定电压；以及
第四运算放大器，其具有连接到第四电阻器的另一端和第五电阻器的另一端的一个输入端子，具有连接到输出端子的另一个输入端子，并且从所述输出端子输出参考电压。
6.如权利要求3所述的编码器，其中所述参考电压生成器电路包括：
第四电阻器，其具有输入到一端的电源电压；
第五电阻器，其具有输入到一端的比所述电源电压更低的固定电压；以及
第四运算放大器，其具有连接到第四电阻器的另一端和第五电阻器的另一端的一个输入端子，具有连接到输出端子的另一个输入端子，并且从所述输出端子输出参考电压。
7.一种信号处理电路，包括：
参考电压生成器电路，其生成与电源电压对应的参考电压；
电流/电压转换器电路，其将由光接收器输出的光电流转换为电压，并且输出通过将转换后的电压和参考电压相加而获得的电压信号；
采样和保持电路，其响应于采样和保持信号而保持第一电容器的电压，第一电容器具有在一端处输入的从电流/电压转换器电路输出的电压信号、和在另一端处输入的参考电压，第一电容器的电压是在电压信号被输入的一侧上的一端处的电压；以及
放大器电路，其输出输出信号，其中由采样和保持电路保持的电压以参考电压作为参考被放大。
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