CN108628207A - 一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路，包括整形与辩向电路、四倍频细分与输出电路，具体的正滤波电阻的一端与脉冲信号输入端连接，正滤波电阻的另一端与脉冲滞环反相器的输入端连接，负滤波电阻的一端与脉冲信号输入端连接，负滤波电阻的另一端与脉冲滞环反相器的输入端连接，细分脉冲反相器的输出端与细分信号输出端连接，方向触发器的正输出端与方向信号输出端P/N端连接，正向脉冲与门的输出端与正细分信号输出端CP+端连接，负向脉冲与门的输出端与负细分信号输出端CP‑端连接。本发明电路抗扰能力强、集成度高、成本低、可靠性高、通用性好。

Description

一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路
技术领域
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路，适用于需对数字伺服系统中的正交式光电脉冲传感器输出信号进行细分与辩向，并形成多种数字信号的应用场合。
背景技术
在各类电机的数字调速与数字伺服系统中，输出正交式脉冲信号的测速、测位移的增量式脉冲光电传感器得到大量使用，由于正交信号的特殊性，通过四倍频细分方法可提高四倍的检测精度与实时性。目前常用的方法及其存在的问题是：(1)基于门电路与二极管、阻容器件构成的四倍频电路，其存在的主要问题在于：电路复杂，分立器件多，可靠性低，抗扰性差，信号形式单一，且无方向信号输出。(2)基于快速高性能的MCU，其存在的主要问题在于：造价高，开发周期长，不宜做成单独的信号处理单元。增量式脉冲光电传感器应用非常广泛，在实际应用中对其信号处理单元的要求主要是不仅能可靠进行细分处理，还能输出运动方向信号，以及有符合CNC数控脉冲指令形式的多种脉冲信号形式输出。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路。该电路主要经脉冲滤波、整形、整流、叠加后输出四细分脉冲信号与运动方向信号，进而形成“四细分正向脉冲+四细分反向脉冲”、“四细分脉冲+方向电平”等符合CNC数控系统常用的脉冲信号形式，该电路可形成增量式脉冲光电传感器通用的信号处理单元。
本发明电路包括整形与辩向电路、四倍频细分与输出电路；
整形与辩向电路包括A脉冲滞环反相器IC1、B脉冲滞环反相器IC2、方向触发器IC6、正滤波电阻R1、负滤波电阻R2、正滤波电容C1、负滤波电容C2，正滤波电阻R1的一端与A脉冲信号输入端UA连接，正滤波电阻R1的另一端与正滤波电容C1的一端、A脉冲滞环反相器IC1的输入端IN端连接，正滤波电容C1的另一端接地，A脉冲滞环反相器IC1的输出端OUT端与方向触发器IC6的数据输入端D端、正脉冲电容C3的一端连接，A脉冲滞环反相器IC1的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲滞环反相器IC1的地端GND端接地，负滤波电阻R2的一端与B脉冲信号输入端UB端连接，负滤波电阻R2的另一端与负滤波电容C2的一端、B脉冲滞环反相器IC2的输入端IN端连接，负滤波电容C2的另一端接地，B脉冲滞环反相器IC2的输出端OUT端与方向触发器IC6的时钟输入端CP端、负脉冲电容C4的一端连接，B脉冲滞环反相器IC2的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲滞环反相器IC2的地端GND端接地，方向触发器IC6的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，方向触发器IC6的地端GND端接地，方向触发器IC6的正输出端Q端与正向脉冲与门IC7的第2输入端I2端、方向信号输出端P/N端连接，方向触发器IC6的负输出端/Q端与负向脉冲与门IC8的第2输入端I2端连接。
四倍频细分与输出电路包括A脉冲乘法器IC3、B脉冲乘法器IC4、细分脉冲反相器IC5、正向脉冲与门IC7、反向脉冲与门IC8、正二极管D1、负二极管D2、正脉冲电容C3、负脉冲电容C4、正脉冲电阻R3、负脉冲电阻R4、叠加电阻R5，正脉冲电容C3的另一端与正脉冲电阻R3的一端、A脉冲乘法器IC3的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，正脉冲电阻R3的另一端接地，A脉冲乘法器IC3的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲乘法器IC3的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，A脉冲乘法器IC3的输出端W端与正二极管D1的阳极连接，负脉冲电容C4的另一端与负脉冲电阻R4的一端、B脉冲乘法器IC4的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，负脉冲电阻R4的另一端接地，B脉冲乘法器IC4的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲乘法器IC4的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，B脉冲乘法器IC4的输出端W端与负二极管D2的阳极连接，正二极管D1的阴极与负二极管D2的阴极、叠加电阻R5的一端、细分脉冲反相器IC5的输入端IN端连接，叠加电阻R5的另一端接地，细分脉冲反相器IC5的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，细分脉冲反相器IC5的地端GND端接地，细分脉冲反相器IC5的输出端OUT端与正向脉冲与门IC7的第1输入端I1端、负向脉冲与门IC8的第1输入端I1端、细分信号输出端CP端连接，正向脉冲与门IC7的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，正向脉冲与门IC7的地端GND端接地，正向脉冲与门IC7的输出端OUT端与正细分信号输出端CP+端连接，负向脉冲与门IC8的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，负向脉冲与门IC8的地端GND端接地，负向脉冲与门IC8的输出端OUT端与负细分信号输出端CP-端连接。
本发明的有益效果如下：
本发明以施密特触发器、D触发器、乘法器等为主的电路方案，能完全地满足CNC数控系统以及其他数字运动控制系统对增量式光电编码器脉冲信号处理的要求，该电路能输出“四细分正向脉冲+四细分反向脉冲”、“四细分脉冲+方向电平”等脉冲信号形式。该电路抗扰能力强、集成度高、成本低、可靠性高、通用性好。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路，包括整形与辩向电路、四倍频细分与输出电路。
整形与辩向电路包括A脉冲滞环反相器IC1、B脉冲滞环反相器IC2、方向触发器IC6、正滤波电阻R1、负滤波电阻R2、正滤波电容C1、负滤波电容C2，正滤波电阻R1的一端与A脉冲信号输入端UA连接，正滤波电阻R1的另一端与正滤波电容C1的一端、A脉冲滞环反相器IC1的输入端IN端连接，正滤波电容C1的另一端接地，A脉冲滞环反相器IC1的输出端OUT端与方向触发器IC6的数据输入端D端、正脉冲电容C3的一端连接，A脉冲滞环反相器IC1的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲滞环反相器IC1的地端GND端接地，负滤波电阻R2的一端与B脉冲信号输入端UB端连接，负滤波电阻R2的另一端与负滤波电容C2的一端、B脉冲滞环反相器IC2的输入端IN端连接，负滤波电容C2的另一端接地，B脉冲滞环反相器IC2的输出端OUT端与方向触发器IC6的时钟输入端CP端、负脉冲电容C4的一端连接，B脉冲滞环反相器IC2的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲滞环反相器IC2的地端GND端接地，方向触发器IC6的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，方向触发器IC6的地端GND端接地，方向触发器IC6的正输出端Q端与正向脉冲与门IC7的第2输入端I2端、方向信号输出端P/N端连接，方向触发器IC6的负输出端/Q端与负向脉冲与门IC8的第2输入端I2端连接。
四倍频细分与输出电路包括A脉冲乘法器IC3、B脉冲乘法器IC4、细分脉冲反相器IC5、正向脉冲与门IC7、反向脉冲与门IC8、正二极管D1、负二极管D2、正脉冲电容C3、负脉冲电容C4、正脉冲电阻R3、负脉冲电阻R4、叠加电阻R5，正脉冲电容C3的另一端与正脉冲电阻R3的一端、A脉冲乘法器IC3的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，正脉冲电阻R3的另一端接地，A脉冲乘法器IC3的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲乘法器IC3的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，A脉冲乘法器IC3的输出端W端与正二极管D1的阳极连接，负脉冲电容C4的另一端与负脉冲电阻R4的一端、B脉冲乘法器IC4的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，负脉冲电阻R4的另一端接地，B脉冲乘法器IC4的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲乘法器IC4的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，B脉冲乘法器IC4的输出端W端与负二极管D2的阳极连接，正二极管D1的阴极与负二极管D2的阴极、叠加电阻R5的一端、细分脉冲反相器IC5的输入端IN端连接，叠加电阻R5的另一端接地，细分脉冲反相器IC5的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，细分脉冲反相器IC5的地端GND端接地，细分脉冲反相器IC5的输出端OUT端与正向脉冲与门IC7的第1输入端I1端、负向脉冲与门IC8的第1输入端I1端、细分信号输出端CP端连接，正向脉冲与门IC7的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，正向脉冲与门IC7的地端GND端接地，正向脉冲与门IC7的输出端OUT端与正细分信号输出端CP+端连接，负向脉冲与门IC8的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，负向脉冲与门IC8的地端GND端接地，负向脉冲与门IC8的输出端OUT端与负细分信号输出端CP-端连接。
本发明所使用的包括A脉冲滞环反相器IC1、B脉冲滞环反相器IC2、A脉冲乘法器IC3、B脉冲乘法器IC4、细分脉冲反相器IC5、方向触发器IC6、正向脉冲与门IC7、负向脉冲与门IC8、正二极管D1、负二极管D2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：脉冲滞环反相器与细分脉冲反相器均可采用施密特触发器CD40106，脉冲乘法器采用AD633，方向触发器采用CD4013，脉冲与门采用CD4081，二极管采用IN4148等。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
设：滞环反相器的阈值为VTH(单位：V)，电路正电源电源为Vcc(单位：V)，四细分后的脉冲宽度为τ(单位：s)：
R3C3＝R4C4 (1)
τ＝R3C3ln(Vcc/VTH)＝R4C4ln(Vcc/VTH) (2)
式中的R3、R4分别是正脉冲电阻R3、负脉冲电阻R4的阻值(单位：Ω)，C3、C4分别是正脉冲电容C3、负脉冲电容C4的电容值(单位：F)。
本发明工作过程如下：
来自增量式光电脉冲传感器的A、B两路正交脉冲信号分别从A脉冲信号输入端UA端、B脉冲信号输入端UB端输入，分别R1C1、R2C2滤波及IC1、IC2施密特整形后形成无噪声的正交的标准脉冲/UA、/UB，这两路信号分别输入到方向触发器IC6的数据端D端与时钟端CP端，并根据这两路脉冲信号间的超前/滞后关系，IC6的正输出端Q端分别输出代表正向运动或方向运动的高电平或低电平逻辑信号，实现对运动方向的检测(辩向)。同时，/UA、/UB这两路脉冲信号分别经C3R3、C4R4微分电路，并经A脉冲乘法器IC3、B脉冲乘法器IC4后形成各自的倍频脉冲信号，再经过正二极管D1、负二极管D2、叠加电阻R5及细分脉冲反相器IC5后形成四细分脉冲信号输出到细分信号输出端CP端。该四细分信号分别与方向触发器IC6的正负逻辑输出信号经正向脉冲与门IC7、负向脉冲与门IC8后分别形成反映正、反向运动的四细分脉冲信号CP+、CP-。
为此，本发明电路输入的是两路正交的脉冲信号，分别从A脉冲信号输入端UA端、B脉冲信号输入端UB端输入。经上述信号处理后，输出两种形式的细分脉冲信号：
(1)“四细分脉冲+方向电平”信号输出方式：此方式中的输出信号由图1中的细分信号输出端CP端、方向信号输出端P/N端输出，其中的CP端信号为四细分脉冲信号，而P/N＝1或0，代表正向或反向运动。
(2)“四细分正向脉冲+四细分反向脉冲”信号输出方式：此方式中输出经处理后的脉冲信号是分别由图1中的正细分脉冲信号输出端CP+端、负细分脉冲信号输出端CP-端输出，这两路是逻辑互锁的，输出四细分脉冲信号或无输出，即：(CP+)*(CP-)＝0。

Claims (2)

1.一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路，包括整形与辩向电路、四倍频细分与输出电路，其特征在于：
整形与辩向电路包括A脉冲滞环反相器IC1、B脉冲滞环反相器IC2、方向触发器IC6、正滤波电阻R1、负滤波电阻R2、正滤波电容C1、负滤波电容C2，正滤波电阻R1的一端与A脉冲信号输入端UA连接，正滤波电阻R1的另一端与正滤波电容C1的一端、A脉冲滞环反相器IC1的输入端IN端连接，正滤波电容C1的另一端接地，A脉冲滞环反相器IC1的输出端OUT端与方向触发器IC6的数据输入端D端、正脉冲电容C3的一端连接，A脉冲滞环反相器IC1的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲滞环反相器IC1的地端GND端接地，负滤波电阻R2的一端与B脉冲信号输入端UB端连接，负滤波电阻R2的另一端与负滤波电容C2的一端、B脉冲滞环反相器IC2的输入端IN端连接，负滤波电容C2的另一端接地，B脉冲滞环反相器IC2的输出端OUT端与方向触发器IC6的时钟输入端CP端、负脉冲电容C4的一端连接，B脉冲滞环反相器IC2的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲滞环反相器IC2的地端GND端接地，方向触发器IC6的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，方向触发器IC6的地端GND端接地，方向触发器IC6的正输出端Q端与正向脉冲与门IC7的第2输入端I2端、方向信号输出端P/N端连接，方向触发器IC6的负输出端/Q端与负向脉冲与门IC8的第2输入端I2端连接；
四倍频细分与输出电路包括A脉冲滞环反相器IC1、B脉冲滞环反相器IC2、方向触发器IC6、正滤波电阻R1、负滤波电阻R2、正脉冲电容C3、负脉冲电容C4、正脉冲电阻R3、负脉冲电阻R4、叠加电阻R5，正脉冲电容C3的另一端与正脉冲电阻R3的一端、A脉冲乘法器IC3的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，正脉冲电阻R3的另一端接地，A脉冲乘法器IC3的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，A脉冲乘法器IC3的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，A脉冲乘法器IC3的输出端W端与正二极管D1的阳极连接，负脉冲电容C4的另一端与负脉冲电阻R4的一端、B脉冲乘法器IC4的第1输入端X端、第2输入端Y端连接，负脉冲电阻R4的另一端接地，B脉冲乘法器IC4的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，B脉冲乘法器IC4的负电源端-V端与电源负电源端Vss端连接，B脉冲乘法器IC4的输出端W端与负二极管D2的阳极连接，正二极管D1的阴极与负二极管D2的阴极、叠加电阻R5的一端、细分脉冲反相器IC5的输入端IN端连接，叠加电阻R5的另一端接地，细分脉冲反相器IC5的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，细分脉冲反相器IC5的地端GND端接地，细分脉冲反相器IC5的输出端OUT端与正向脉冲与门IC7的第1输入端I1端、负向脉冲与门IC8的第1输入端I1端、细分信号输出端CP端连接，正向脉冲与门IC7的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，正向脉冲与门IC7的地端GND端接地，正向脉冲与门IC7的输出端OUT端与正细分信号输出端CP+端连接，负向脉冲与门IC8的正电源端+V端与电源正电源端Vcc端连接，负向脉冲与门IC8的地端GND端接地，负向脉冲与门IC8的输出端OUT端与负细分信号输出端CP-端连接。
2.根据权利要求1所述的一种正交式光电脉冲传感器信号的多功能细分电路，其特征在于电路参数配合关系如下：
设：滞环反相器的阈值为VTH，电路正电源电源为Vcc，四细分后的脉冲宽度为τ：
R3C3＝R4C4 (1)
τ＝R3C3ln(Vcc/VTH)＝R4C4ln(Vcc/VTH) (2)
式中的R3、R4分别是正脉冲电阻R3、负脉冲电阻R4的阻值，C3、C4分别是正脉冲电容C3、负脉冲电容C4的电容值。
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