CN1339102A - 用于光编码器的位置传感器和电路 - Google Patents

Abstract

一种用于测量入射辐射的空间周期强度辐射图的位置的电子电路包括:探测器阵列(1);每个具有连接至缓冲器(14)的电容器阵列(12,13)的两个或两个以上相关器单元(2,3);以及相角计算单元(4)。探测器阵列(1)的间距小于入射强度辐射图的节距、使得后者被过抽样,由此得到高精度。探测器输出(17)被沿电容器阵列(12,13)周期变化的各个固定电容值(15,16)加权,并且对于每个相关器单元(2,3)的输出的加权和在各自的缓冲器(14)输出。各个相关器单元(2,3)的电容值(15,16)按预定的相移互相偏移。使用电容器阵列(12,13)的模拟计算是快速和高能效的,而且能够以超大规模集成电路(VLSI)电路实现。

Description

用于光编码器的位置传感器和电路

发明领域

本发明涉及电子电路，更具体地说，涉及构成在线性或旋转编码器中用于分别测量线位移或角位移的传感器部件的一部分的光电子电路。

背景技术

一般在这种编码器中，安排了一个或一个以上固定的电磁辐射源(EMR)以照亮刻度平面或柱面。刻度面上的标记包括对EMR的高反射率和低反射率(或者说，高和低传输率)的区域，并且安排EMR的反射(或被透射)分量照射在固定的光电传感器上，后者检测入射的EMR随时间变化或空间上分布的强度辐射图，并且由此提供对刻度面的相位位置的测量。现在，“反射”和“透射”这两种编码器方案都常用于工业和消费类产品中用来测量线或角位移，但是后一种方案更普遍。

设置在这种编码器中的光电传感器一般采用四个光电二极管并且用一种本领域中众所周知的“正交内插”方法以将位置测量分辨率提高到远远超过编码器的各个刻度平面或柱面上的标记的间距。在美国专利4,410,798(Breslow)和5,235,181(Durana et al.)中描述了各种实施例，其中测量分辨率被提高到高于标记间距的许多倍，并受到标记间距、宽度和边缘质量的精度、提供正交信号的光电二极管的位置精度和这些光电二极管的信噪比的限制。这些系统的缺点是，为了提供微米级的测量精度，需要非常高质量的元件、“微米精度”的机械和组装公差、以及高质量的标记。作为一个实例，在上面两个先有技术专利中，正交信号的相位误差等于分离的光电二极管探测器的位置误差，加上标记的位置误差，加上由电气和光学噪声、探测器的失配和信号处理系统中的其他元件所引起的误差。

按照本发明的电子电路力图通过以下方法克服这些缺点中的一些，其方法是：经由具有多个光电二极管探测器的一个或一个以上阵列的光电传感器对入射的EMR进行扩大过采样，光电二极管探测器的每个阵列同时跨过照射在所述阵列上的入射的EMR的辐射图的许多节距。在本文中，辐射图的“节距”被定义为照射在所述探测器阵列上的入射EMR的辐射图的相邻的最大EMR强度的区域之间的距离，并且它直接涉及反射EMR(对于反射编码器)或从中透射EMR(对于透射编码器)的刻度面上标记的间距。结果，测量精度高于阵列中任何单个探测器的位置精度、并且实际上是单个辐射图节距的位置精度。作为结果的正交对信号的位置精度不是由机械和组装公差，而是由用于制造光电二极管阵列的“超大规模集成电路”(VLSI)处理过程的位置精度来确定的，并且经济地利用现今的硅制造工艺可以低至0.1μm。按照本发明，用于编码器传感器部件的光电子电路不依赖于使用制造编码器的昂贵且高度精确的标记工艺，并且能容许在编码器的刻度面上局部的缺陷、甚至损坏或整个失去标记面。

本发明的一个目的是提供一种包括精度较低(因而更低成本)的元件的非常精密的光电相对位置测量电路。采用按照本发明的光电子电路的编码器的传感器部件，一般将具有高于刻度面上、其相对位置要被测量的标记的间距100倍的分辨率、高于光电二极管探测器阵列的间距10倍的分辨率，以及高于阵列中各个探测器中任何一个的位置精度的10倍的测量精度。

对照射在阵列上的入射EMR辐射图的扩大过取样，以及在光电子电路内大规模并行集中运算，导致相对位置测量精度由探测器阵列的间距精度来确定，而不是由编码器标记刻度的间距精度来限制。另外，通过测量入射EMR辐射图的许多节距，相对位置测量的精度理论上是入射EMR辐射图的任何一个节距的位置精度的

倍。其中n_p是由探测器阵列采样的辐射图节距数。这种方法的优点是它不需要昂贵的刻度标记处理以在传感器部件的相对位置测量中获得“亚微米”的分辨率。而且，假定模拟(例如光电二极管)探测器被用于阵列中，测量技术提供亚像素的分辨率，并且可以经济地提供比探测器阵列间距的分辨率高10-100倍的分辨率。相对位置测量的信噪比一般大于各个探测器的信噪比的 倍，其中 是阵列中的探测器数。这是一个明显的优点，因为用现在的VLSI硅制造工艺，可以在单个芯片上经济地实现包含成千上万的探测器的一个或一个以上的阵列。

相对位置测量所需的计算主要是内积运算，它是由电容电路高效执行的。按照本发明的电容相关器电路在大规模并行单次运算中执行必要的计算，获得可能的最高处理速度和因而最少的处理时间。计算精度与电容相关器电路内的电容器的精度有关，电容相关器电路是最好的受控参数VLSI电路，它为这类电路结构提供最高面积效率的解法。而且大规模并行、模拟内积计算块使执行计算所需的能量最小化，它需要小到相应的数字微处理器解法的功率耗散的0.1％。

按照本发明的电子电路适合于在对应于入射EMR辐射图的一节距的范围上的非常高分辨率的相对位置测量。为了获得高分辨率的在这一节距范围上扩展的绝对位置测量，可以与简单、较低分辨率的绝对条码测量技术结合来使用该电路。例如，可以利用对于这些刻度可变宽度的标记(例如，二元薄/厚标记)来加密刻度标记，或者，可以采用在编码器中的平面或柱面上分开的条码标记刻度。在工业中和消费类产品中普遍用到许多不同的条码标记加密技术。

发明概述

本发明在于一种含有纵向设置的电磁辐射(EMR)探测器阵列、两个或两个以上相关器单元、和相角计算单元的电子电路，所述电路能够测量照射在探测器阵列上的入射EMR的空间上周期性的强度辐射图的相对位置，其特征在于，所述EMR探测器阵列的间距安排成小于入射EMR的空间上周期性的强度辐射图的节距，每个相关器单元包括连接至缓冲器的电容器阵列，每个探测器具有取决于照射在该探测器上的入射EMR的输出，所述输出被传递给所述两个或两个以上相关器单元的每个中一个或一个以上的电容器，所述一个或一个以上的电容器的电容量确定对于与各个相关器单元有关的探测器的相关系数，相关系数的大小被安排成在沿着阵列长度的纵向上、按照预定的周期加权函数周期性地变化，每个相关器单元按照各自对其相关器单元的预定的周期加权函数、模拟计算各个探测器输出的加权和，并且在其各自的缓冲器输出这个加权和的模拟表示，两个或两个以上相关器单元的加权函数相互偏移一个预定的相角，相角计算单元连接到每个相关器单元的缓冲器，并且能够计算入射EMR的空间周期强度辐射图的相对相角，以及由此把其相对位置表达成辐射图的相对相角。

最好是，每个相关器单元的每个电容器阵列包括第一和第二电容器子阵，每个电容器子阵包括公共极板和多个上极板，第一电容器子阵的公共极板连接到相关器单元的缓冲器的正输入端，第二个电容器子阵的公共极板连接到相关器单元的缓冲器的负输入端，并且每个探测器连接到相关器单元的第一电容器子阵的各个电容器的上极板和相关器单元的第二电容器子阵的各个电容器的上极板。

最好是，每个探测器的输出是电压，所述探测器电压输出经开关阵列作为输入加在两个或两个以上相关器单元中每个的第一和第二电容器子阵中每个的各个电容器上，每个开关具有至少两种状态，后者包括其中各个电容器上极板被接上基准电压并且缓冲器输出被设为零的校准状态，以及其中各个电容器上极板被接上探测器输出电压的功能状态。

最好是，对于每个相关器单元，加在第一电容器子阵的电容器上的输入等于加在第二电容器阵列的电容器上的输入，所述输入包括从预定的基准电压到各个探测器输出电压的电压跃迁，并且因而对于与各个相关器单元有关的每个探测器的相关系数是各个第一与第二电容器子阵的电容器的电容量的差值。

或者，最好是，对于每个相关器单元，如果对第一电容器子阵的给定电容器的输入是从预定基准电压至各个探测器输出电压的电压跃变，而对第二电容器子阵的各个电容器的输入是从各个探测器输出电压至预定基准电压的电压跃变，则产生正的相关系数；如果对第一电容器子阵的给定电容器的输入是从各个探测器输出电压至预定基准电压的电压跃变，而对第二电容器子阵的各个电容器的输入是从预定基准电压至各个探测器输出电压的电压跃变，则产生负的相关系数；并且因而相关系数的绝对值是各个第一和第二电容器子阵的电容器的电容量的和。

所述电子电路最好包括两个相关器单元。

最好是，相关系数随子阵长度按正弦变化，具有与入射EMR的空间周期强度辐射图的节距相等的节距，第一相关器单元具有零度的相角而且计算探测器输出的正弦加权和，而第二相关器单元具有90度的相角而且计算探测器输出的余弦加权和。

最好是，这些电容器上极板具有沿阵列纵向测量的相等宽度和垂直于这个方向测量的可变长度。

或者，最好是电容器上极板具有相等长度和可变宽度。

最好是，把探测器阵列的间距和每个相关器单元的加权函数这样安排使得每个加权函数在阵列的不同的相邻的探测器对之间为零。

最好是，把每个相关器单元的加权函数的节距设置成等于入射EMR的空间周期强度辐射图的节距。

所述电子电路最好是集成电路。

附图简介

图1是按照本发明的电子电路的最佳实施例的方框图；

图2是图1所示的电子电路的示意的配置图；

图3a是图1所示的电子电路的探测器输出的曲线图；

图3b是图1所示的电子电路的正弦相关器单元的相关系数的曲线图；

图3c是图1所示的电子电路的余弦相关器单元的相关系数的曲线图；

图4是图1所示的电子电路的正弦和余弦相关器单元的相对位置(或相对相位α)的计算的图形表示；

图5是图1所示的电子电路中所用类型的电容相关器单元的电路示意图；

图6是用于加权函数的抽样策略的图形表示；

图7是使用窗口技术改进的加权函数的抽样策略的图形表示；

图8是尽管照射在探测器阵列上的入射EMR的辐射图质量相对差一些，且在各个反射编码器的刻度面上各个标记边缘的位置精度低(10μm)，按照本发明获得“亚微米”的测量分辨率(一般为0.01μm)和精度(一般为0.1μm)的图像的示例。

实现本发明的方式

参照图1和图2，所述电子电路被表示成专用集成电路(ASIC)的形式而且包括EMR探测器阵列1、正弦相关器单元2、余弦相关器单元3和反正切计算单元4。阵列1包括多个相同的EMR敏感光电二极管探测器11，后者中的每个具有与照射在各个探测器上的入射EMR的强度成比例的模拟电压输出。把“阵列下标”50表示成在阵列1的左端从1开始，并且在阵列1的右端增大至“n”。

相同的阵列下标约定用在正弦相关器单元2和余弦相关器单元3两者的正电容器的电容器子阵12和负电容器的电容器子阵13上。每个相关器单元的缓冲器14以一的电压增益缓冲各个电容器子阵12和13的输出。每个相关器单元的电容器子阵12包括正公共极板20和多个正上极板16。每个相关器单元的电容器子阵13包括负公共极板19和多个负上极板15。每个相关器单元的正公共极板20连接至各个缓冲器14的正输入端而每个相关器单元的负公共极板19连接至各个缓冲器14的负输入端。每个探测器11经开关阵列17和直接连接线18连接至正弦和余弦相关器单元2和3的各个正和负上极板16和15上。由此，每个探测器11的输出可经单个开关分别转接在相同阵列下标的四个上极板(即，两个正上极板16和两个负上极板15)上。

每个上极板的电容量与其面积成比例。通过把各个上极板的面积调整成他们阵列下标的函数来获得“周期加权函数”，如图2所示。对于图2中所示的示意的布局配置，可以计算对于每个相关器单元的每个阵列位置的相关系数，它在数值上等于对应的正和负上极板电容之差。最好是，上极板16和15的宽度(沿阵列1的纵向测量)相等并且仅其长度(垂直于该方向来测量)可按所需的相关系数的函数变化。这种有差异配置确保了消除不可预知的边缘电容，并且对于正弦相关器单元2和余弦相关器单元3，对每个探测器11相应的相关系数，以及由此相关器单元的整体周期加权函数，可以通过相应的正和负上极板16和15的长度尺寸上的变化来精确控制。

现在将参照图3a-3c和图4更充分地说明所述电子电路的工作原理。参照图3a，由阵列下标的函数来表示的探测器11的输出电压，为照射在阵列1上的入射EMR的空间周期强度辐射图的图像31。计算这个辐射图的相对相角α来作为其相对位置的度量。阵列1的间距35安排成比图像31的节距34小许多倍，后者对应于照射在阵列1上的入射EMR的辐射图的节距。现参照图3a、3b和3c，入射EMR辐射图的图像31与周期加权函数32和33有关，后者每个具有设置成等于图像31的节距34(并且由此等于阵列1上入射EMR的空间周期强度辐射图的节距)的节距37，但是具有不同的相位。在本发明的这个最佳实施例中，周期加权函数32和33相互偏移90度，因而图像31与这些周期加权函数的相互作用有效地产生图像31的正交投影，后者示于图4中。由理想的正弦相关器产生的正弦投影是探测器输出与各个相关系数的内积，并且由以下公式给定： $V_{\mathrm{out},\sin e}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\sin e}----\left[1\right]$ 其中，

V_out，sine是正弦相关器单元的输出，

V_n是第n个探测器的输出，而

C_n，sine是正弦相关器单元的第n个相关系数。 $V_{\mathrm{out},\cos \mathrm{ine}}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_t{C}_{n,\cos \mathrm{ine}}----\left[2\right]$

类似地，余弦投影由以下公式给定：

其中

V_out，cosine是余弦相关器单元的输出，

V_n是第n个探测器的输出，而

C_n，cosine是余弦相关器单元的第n个相关系数。

辐射图相角是通过计算正弦投影与余弦投影之比的反正切而得到的： $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\sin e}}{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\cos \mathrm{ine}}}\right)----\left[3\right]$

图5中表示简单的电容相关器单元，并且它执行以下计算： $V_{\mathrm{out}}=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_n}{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{C}_n+C_0}=\frac{1}{C_{\mathrm{all}}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_n---\[4\]$

其中，

V_out是各个电容器子阵输出到缓冲器14的或者正或者负输入端的输出电压，

V_n是第n个探测器输出，

C_n是各个电容器子阵的第n个电容器的电容。

C₀是在求和节点的寄生电容，而

C_all是电容器子阵的所有电容之和。

与等式1的理想情况相比，在这里可以看到比例项1/C_all。计算的相角α仅在这个比例项对于两个相关器单元是相等的情况下是正确的。如果是这种情况，当计算正弦投影与余弦投影之比时，这项 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{C_{\mathrm{all}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\sin e}}{C_{\mathrm{all}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\cos \mathrm{ine}}}\right)=\arctan \left(\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_n{C}_{n,\sin e}}{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{V}_{n,\cos \mathrm{ine}}}\right)---\left(5\right)$ 被消掉，并且我们得到与等式3中相同的结果：

现参照图6a，相关系数最好通过对正弦(或余弦)加权函数61以正弦加权函数的零交点正好在两个样值中间的这种方式抽样而得到。以这种方式通过利用电容器上极板的几何参数62，既不会得到零加权、也不会得到等于加权函数最大值的加权。这减少了所需电容器尺寸的动态范围，避免了对样值的零加权，简化了布局，提高了有用电容与整个电容之比，因而提高了相关器单元的信噪比。

作为说明，图6b表示了较不理想的情况，其中对正弦(或余弦)加权函数63这样抽样、使得经使用电容器上极板的几何参数64、获得零加权以及等于加权函数最大值的加权。

图7表示备选的加权函数，其中原始的正弦(或余弦)加权函数被乘以窗函数72。作为结果的净加权函数73具有朝着边界减小的元素。这是信号处理中减小不想要的边界效应的众所周知的方法。这种边界效应存在于，例如，当标记(并且由此辐射图)不是很规则时或者如果标记(并且由此辐射图)以某种方式调整-例如当如上所述使用可变厚度的刻度标记(如厚/薄条码)设置时。在这种情况下，窗口技术已表明可以减小相角测量误差。

图8表示按照本发明、照射在探测器阵列上的入射EMR的空间周期强度辐射图的图像83的实例。尽管图像质量相对差一些，且在各个辐射图部分、如入射EMR的高度密集区域的节距81和宽度82的位置不确定性大(大约为10μm)，该图像获得大约为0.01μm的分辨率和0.1μm的测量精度。

参照此实施例描述的正交内插技术在两个90度偏移的加权函数下工作：正弦加权函数和余弦加权函数。但是，本技术可以扩展到两个以上的加权函数，这可能具有几项优点。首先，通过使用两个以上的加权函数引入了冗余，在统计上提高了测量精度。其次，正弦/余弦技术的测量精度在0，90，180，270度更小，因为接近这些相角，一个相关器单元给出非常小的输出。用三个或三个以上相位偏移加权函数，我们可以保证总有至少两个非零输出的相关器单元。

对于本专业的技术人员，显然可以在不背离本发明的精神和范围的条件下对电子电路做大量变化和修改。

Claims (12)

1.一种电子电路，它包括：纵向设置的电磁辐射(EMR)探测器阵列；两个或两个以上相关器单元；和相角计算单元，所述电路能够测量照射在所述探测器阵列上的入射EMR的空间上周期性的强度辐射图的相对位置，其特征在于：

所述EMR探测器阵列的间距安排成小于入射EMR的所述空间周期强度辐射图的节距，每个所述相关器单元包括连接至缓冲器的电容器阵列，每个所述探测器具有取决于照射在所述探测器上的入射EMR的输出，所述输出被传递给所述两个或两个以上相关器单元中每一个的相应的一个或一个以上的电容器，所述一个或一个以上的电容器的电容量确定对于与所述各个相关器单元有关的探测器的相关系数，相关系数的大小被安排成在沿着所述阵列长度的纵向上、按照预定的周期加权函数周期性地变化，每个相关器单元按照用于所述相关器单元的相应的预定的周期加权函数、模拟计算所述各个探测器输出的加权和、并且在其各自的缓冲器输出这个加权和的模拟表示，所述两个或两个以上相关器单元的加权函数相互偏移一个预定的相角，所述相角计算单元连接到每个相关器单元的所述缓冲器，并且能够计算入射EMR的空间周期强度辐射图的所述相对相角，以及由此把其相对位置表达成所述辐射图的相对相角。

2.权利要求1的电子电路，其特征在于：每个相关器单元的每个电容器阵列包括第一和第二电容器子阵，每个所述电容器子阵包括公共极板和多个上极板，所述第一电容器子阵的所述公共极板连接到所述相关器单元的所述缓冲器的正输入端，所述第二电容器子阵的所述公共极板连接到所述相关器单元的所述缓冲器的负输入端，并且每个探测器连接到所述相关器单元的所述第一电容器子阵的各个电容器的所述上极板和所述相关器单元的所述第二电容器子阵的各个电容器的所述上极板。

3.权利要求2的电子电路，其特征在于：所述每个探测器的输出是电压，所述探测器电压输出经开关阵列作为输入加到所述两个或两个以上相关器单元中每个的所述第一和所述第二电容器子阵中每个的所述相应的电容器上，每个开关具有至少两种状态，后者包括其中所述各个电容器上极板被连接到基准电压并且所述缓冲器输出被设置为零的校准状态，以及其中所述各个电容器上极板被连接到所述探测器输出电压的功能状态。

4.权利要求3的电子电路，其特征在于：对于每个相关器单元，加在所述第一电容器子阵的所述电容器上的输入等于加在所述第二电容器阵列的所述电容器上的输入，所述输入包括从预定的基准电压到所述各个探测器输出电压的电压跃变，并且因而对于与所述各个相关器单元有关的每个探测器的所述相关系数是所述各个第一与第二电容器子阵的电容器的电容量的差值。

5.权利要求3的电子电路，其特征在于：对于每个相关器单元，如果对所述第一电容器子阵的给定电容器的输入是从预定基准电压至所述各个探测器输出电压的电压跃变，并且对所述第二电容器子阵的所述各个电容器的输入是从所述各个探测器输出电压至预定基准电压的电压跃变，则产生正相关系数；如果对所述第一电容器子阵的给定电容器的输入是从所述各个探测器输出电压至预定的基准电压的电压跃变，并且对所述第二电容器子阵的所述各个电容器的输入是从预定基准电压至所述各个探测器输出电压的电压跃变，则产生负的相关系数；并且因而所述相关系数的绝对值是所述各个第一和第二电容器子阵的电容器的电容量的和。

6.权利要求1的电子电路，其特征在于：所述电子电路包括两个相关器单元。

7.权利要求6的电子电路，其特征在于：所述相关系数沿子阵长度方向按正弦变化，具有与所述入射EMR的所述空间周期强度辐射图的所述节距相等的节距，所述第一相关器单元具有零度的相角而且计算所述探测器输出的正弦加权和，而所述第二相关器单元具有90度的相角而且计算所述探测器输出的余弦加权和。

8.权利要求2的电子电路，其特征在于：所述各电容器上极板具有沿所述阵列的纵向测量的相等的宽度和垂直于这个方向测量的可变长度。

9.权利要求2的电子电路，其特征在于：所述各电容器上极板具有相等长度和可变宽度。

10.权利要求1的电子电路，其特征在于：这样安排所述探测器阵列的所述间距和所述每个相关器单元的所述加权函数，使得所述每个加权函数在所述阵列的不同的相邻的探测器对之间的中途为零。

11.权利要求1的电子电路，其特征在于：把每个所述相关器单元的所述加权函数的所述节距设置成等于所述入射EMR的所述空间周期强度辐射图的所述节距。

12.权利要求1的电子电路，其特征在于：所述电子电路是集成电路。

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