CN201820447U

CN201820447U - 一种抗抖动的光电编码器整形电路

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Publication number: CN201820447U
Application number: CN2010205649025U
Authority: CN
Inventors: 丁一明
Original assignee: Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd
Current assignee: Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2020-10-18

Abstract

一种抗抖动的光电编码器整形电路，设有包括一对反并联的光电二级管、电阻、电容以及电压比较器，其特征是反并联的光电二级管两端，一端连接电压比较器的反向输入端“-”，另一端通过第一电阻连接电压比较器的同向输入端“+”，电压比较器的同向输入端“+”还通过第二个电阻与电压比较器输出端连接，在反并联的光电二级管的另一端通过第三电阻连接电源正端且与电压比较器的一个电源端连接，在反并联的光电二级管的另一端还通过第四电阻连接电压比较器的另一个电源端。

Description

一种抗抖动的光电编码器整形电路

技术领域

本实用新型涉及增量式光电角轴编码器，尤其是一种抗抖动的光电编码器整形电路，属于光、机、电精密传感器技术领域。

背景技术

增量式光电角轴编码器(以下简称编码器)是一种集光、机、电为一体的转速、位移传感器，具有精度高、响应快、性能稳定可靠等显著的优点。编码器的动光栅每旋转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，Z相输出一个脉冲，A相和B相相位差1/4个脉冲周期。A相(或B相)每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度，Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。因此编码器可以测量角位移及位移方向。

问题在于电机速度控制系统低速运行时，不可避免的会出现抖动(即：低速爬行现象)，若无可靠的控制措施，编码器转轴也将随之晃动。引发编码器输出抖动的脉冲信号，引起误计数，不能对被测系统参量进行正确采集。编码器常用于检测机床进给系统的速度与位移量，在加工过程中，因受到切削力，机床快速升降时的惯性力，弹性力等的影响，机械抖动现象都有可能发生，这种机械抖动会不可避免地输入编码器的转轴，引发光栅盘抖动，使光脉冲的输出波形发生畸变，这种抖动的光脉冲，经编码器内整形、放大电路后全部输入系统。因抖动脉冲与标准的脉冲没有明显的差异，所以系统采样时很难辨认，形成错误的信息。错误的信息将直接引起计数错误，使驱动系统不能正常运行，影响机床的加工精度和定位精度。

中国专利96243294.6介绍了一种“圆光栅编码器的预处理器”解决误差计数的问题。消除了因慢转时抖动造成的输出差错及在正、反转时的触发位置不同，而影响测角精度的问题。但这样会给控制工程师带来很多不必要的麻烦。控制工程师都希望在编码器源头处理解决抖动脉冲的误发问题。

光电编码器的整形电路有多种，其中利用两只反并联的光电二级管组成的光电接收器灵敏度最高，具有很高的频率响应特性，高速特性好，响应频率可达几百KC。但正是这一特点，使得干扰信号也很容易侵入。特别是在系统低速运行时，一但有微小的抖动就会误发干扰脉冲。

常规编码器的光电二级管输入电路如图1，由光电接收器Dg(由两只反并联的光电二极管D1，D2组成，D1，D2接收相位相反的光电信号，当D1全接收光时，D2就处于全遮光状态，反之亦然)、电阻R1，R2，R3、电容C及电压比较器T1组成，Dg的输出串接R2与T1的“-”“+”组成的串联电路，构成T1的输入回路，电容C、R1并联后与R2，R3串联构成反馈回路。Dg组成光电接收器输入T1构成差动输入方式，当T1的反向输入端“-”和同向输入端“+”端有微小电位差变化时，T1的输出端都会有脉冲输出，这个脉冲被后级放大输出。

图1电路对于小幅度的干扰有一定的抑制作用，但电路还存在如下问题：

1)A点电位是浮动的，完全依赖电容C从R1取得的电压，通过充放电来实现回差的建立，在系统进入低速运行时，一但电容C放电完成，放电电流消失，电路会出现不稳定状态。

2)在系统受到机械抖动干扰时，如果反馈量设计值不足，就可能出现强烈的抖动脉冲，这时抗击系统机械抖动能力差的现象明显表现出来。反馈量增大后，T1的输出出现明显的正负半周不对称，特别是在转速、温度等环境条件发生变化时，T1输出脉冲的占空比会出现明显的漂移失真。

3)电容C使用一段时间后，如电容量衰减，抖动脉冲更容易产生，造成系统的脉冲误发。

发明内容

本实用新型目的是克服现有技术之不足，提出一种抗抖动的光电编码器电路，可以消除由于电容的充放电给电路带来的不稳定现象，有效的防止光盘的抖动产生的干扰。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种抗抖动的光电编码器整形电路，设有包括一对反并联的光电二级管、电阻、电容以及电压比较器，其特征是反并联的光电二级管两端，一端连接电压比较器的反向输入端“-”，另一端通过第一电阻连接电压比较器的同向输入端“+”，电压比较器的同向输入端“+”还通过第二个电阻与电压比较器输出端连接，在反并联的光电二级管的另一端通过第三电阻连接电源正端Vcc且与电压比较器的电源正端连接，在反并联的光电二级管的另一端还通过第四电阻连接电压比较器的电源负端。

所说第一、第二、第三、第四电阻值分别为4.7kΩ、600kΩ、4.7kΩ、4.7kΩ。

本实用新型的优点及其显著效果：与现有技术的光电编码器整形电路相比较，去掉了电容C，增加了第三电阻，第三与第四电阻组成串联分压电路，构成固定参考点的电压，解决了因电容C放电电流为零时造成的电路不稳定现象。

附图说明

图1是现有技术的光电编码器整形电路；

图2是本实用新型光电编码器整形电路；

图3是图4电路的输出波形图；

图4是本实用新型光电编码器整形电路与后续电路的一个实施例；

图5是本实用新型光电编码器整形电路与后续电路的另一个实施例。

具体实施方式

参看图2，一种抗抖动的光电编码器整形电路，设有包括一对反并联的光电二级管、电阻、电容以及电压比较器T1，其特征是反并联的光电二级管两端，一端连接电压比较器的反向输入端“-”，另一端通过电阻R2连接电压比较器的同向输入端“+”，电压比较器的同向输入端“+”还通过电阻R3与电压比较器输出端连接，在反并联的光电二级管的另一端通过电阻R0连接电源正端且与电压比较器的电源正端连接，在反并联的光电二级管的另一端还通过第四电阻R1连接电压比较器的电源负端。R2、R3、R0、R1分别取值为4.7kΩ、600kΩ、4.7kΩ、4.7kΩ。电压比较器T1选用LM339。

与现有技术图1电路比较，去掉了电容C，增加了电阻R0。R0与R1组成串联分压电路，构成固定参考点A的电位，以解决因电容放电电流为零时造成的电路不稳定现象。

UDH是T1输出高电平时的值，UDL是输出低电平时的值，A点电压的设置，取UDH与UDL的中心电位即：

UA＝0.5(UDH+UDL)(UDL接近0忽略)

＝0.5UDH

UA＝VccR1/(R0+R1)

选取A点电压恒定为0.5UDH，以确保反馈的电压UR2的对称性，B点电位是一个变化的电压值，取决于D到A点的电位差，即保证正半波UDH-UA与负半波UA-UDL电位差相等，在通过R2-R3分压后，在R2上取得的两个反馈电压UR2，-UR2，大小相等，方向相反。

当T1输出为高电平时，R2上的电压降UR2为：

UR2＝(UDH-UA)R2/(R2+R3)

＝0.5UDH R2/(R2+R3)

当T1输出为低电平时，R2上的电压降-UR2为：

-UR2＝(0-UA)R2/(R2+R3)

＝-0.5UDH R2/(R2+R3)

见图3，R2上的电压降为：UR2＝±0.5UD R2/(R2+R3)。

UR2的大小设定取决于光电二极管的电压峰值UDg的数值。

UR2正时满足UR2＜UDg (UDg是光电管正向转换的幅值电压)。

UR2负时满足UR2＞-UDg(-UDg是光电管负向转换的幅值电压)。

UR2取值范围在：-UDg＜UR2＜UDg

即：当光电转换电压|uDg|＞|UR2|时，整形电路输出UD翻转；

当光电转换电压|uDg|＜|UR2|时，电路系统仍保持原状态不变；

UR2将进入整形电路的抖动干扰，包容在一个很宽的范围内，从而提供了充分的相位裕度±Φ和电压幅值裕度±UR2。使系统具备了很强的抗干扰能力见图3。

当T1的反向输入端“-”电压低于同向输入端“+”端电压时，T1输出高电平UDH。UDH输出电流1分为两路，一路经R3-R2流入A点，电流流经R2，产生电压降UR2(注：UR2＝IR2)，UR2为整形电路建立了正半周的回差电压图3虚线1，另一路输出给后级放大电路，---。T1输出高电平。

当T1的反向输入端“-”电压高于同向输入端“+”电压时，T1输出低电平UDL。

这时，电流I由A经过R2-R3流入T1，电流流经R2，产生电压降-UR2(注：-UR2＝-I*R2)，-UR2为整形电路建立负半周的回差电压图3虚线2。T1输出低电平。

当光电管转换的信号电压uDg高于+UR3时(图3中虚线1)，T1的输出UD由高电平UDH翻转为低电平UDL，同时R2上的电压降也由正向电压UR2翻转为负向电压-UR2；

这时，T1的反向输入端“-”的信号电压高于+UR2，同向输入端“+”的电压为-UR2，输入端的电压为2UR2，T1有了可靠的锁定电压，只要uDg不低于-UR3系统都不会再翻转，T1的输出被可靠的锁定为低电平。

当光电管转换的信号电压uDg低于-UR2时(图3中虚线2)，T1的输出UD由低电平UDL翻转为高电平UDH；同时R2上的电压降也由负向电压-UR2翻转为正向电压UR2；同理，T1输入端有了可靠的锁定电压2UR2，只要uDg不高于UR2系统都不会再翻转，T1的输出被可靠的锁定在高电平。

当光栅盘受外界干扰发生抖动时，产生的干扰信号见图3中曲线在3.处，此时因干扰电压的波形被包容在：-UR2＜uDg＜+UR2范围内。所以，T1输出UD始终不翻转，UD保持原来状态不变，实现了系统的稳定运行。

本实用新型是利用具有高频特性的光电二极管作为信号采集的器件。所以编码器具有很高的频率特性，同时解决了编码器在低速抖动系统中的信号采集问题。由于电路的对称性好对温度、速度等环境条件变化产生的影响也小，所以编码器还具有稳定的宽频带输出的特

参看图4实施例1，是本实用新型整形电路输出，配合后级集电极开路输出的电路图，稳定运行方式同前所述，特殊点是如果T1输出直接接三极管T2的基极时，在T1输出高电平UDH时，UDH将被三极管的基极电压UE嵌位在低电位(如：硅管UBE为：0.7V；)，过低的电压将导致系统的反馈无法实现，稳定性将被破坏。为了保证T1输出高电平UDH时不受UE影响，接入二极管D3，作用是提供一个反向电压，当T1输出高电平UDH时，UE被二极管D3阻断，T2的基极由R6提供偏流。T1仍维持高电平，确保反馈安全送达T1的输入端B，从而确保系统的稳定运行。

参看图5实施例2，是互补输出的电路图，前级电路同实施例1，电路中Udd与Udd’的电压相差很多，为确保Udd与Udd’分开，确保后级的(高电压Udd)脉冲安全输出，中间用三极管T2隔开。当T1输出UD为低电平时，二极管D3导通UE降低T2管截止，输出高电平，并通过T3，T4输出。当T1输出UD为高电平时，二极管D3反向截止，T2管导通，输出低电平，并通过T3，T4输出。

Claims

1.一种抗抖动的光电编码器整形电路，设有包括一对反并联的光电二级管、电阻、电容以及电压比较器，其特征是反并联的光电二级管两端，一端连接电压比较器的反向输入端“-”，另一端通过第一电阻连接电压比较器的同向输入端“+”，电压比较器的同向输入端“+”还通过第二个电阻与电压比较器输出端连接，在反并联的光电二级管的另一端通过第三电阻连接电源正端Vcc且与电压比较器的电源正端连接，在反并联的光电二级管的另一端还通过第四电阻连接电压比较器的电源负端。

2.根据权利要求1所述抗抖动的光电编码器整形电路，其特征是第一、第二、第三、第四电阻值分别为4.7kΩ、600kΩ、4.7kΩ、4.7kΩ。