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标题: 自适应旋转编码器可区分信号的强弱 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2014-9-18 22:45 标题: 自适应旋转编码器可区分信号的强弱

关键字：旋转编码器
增量式旋转编码器的尺寸和外形与普通的板式电位器基本相同，但它物美价廉，是模拟电位器的数字式替代解决方案。增量式旋转编码器通常应用于电平调节、调谐、视听设备时间设置、环境控制、消费类电子设备、实验室设备及科学仪器等。
增量式编码器的输出端通常输出两个相位正交(即相移为四分之一周期)的信号，轴每转一圈可产生固定数量的脉冲，各脉冲与旋转增量相对应。在编码器内部有两个连接至公共端的开关。该公共端通常连接至地(如图1所示)，而两个正交输出端则连接至上拉电阻器(R1和R2)。

图1阴影部分的电路代表可实施正交解码的典型编码器接口。在此处，R3-C1和R4-C2可提供噪声过滤和触点抖动消除功能，施密特NAND IC1a和IC1b可于点A和B产生“方波”数字信号。和编码器输出端一样，这些信号的相位差为90°：当编码器以顺时针方向旋转时，信号A的上升沿会比信号B的上升沿提前四分之一周期产生；当编码器以逆时针方向旋转时，信号B的上升沿会比信号A的上升沿提前四分之一周期产生。

当信号A传输至触发器IC2a的输入端D并对信号B上升沿的触发器进行定时，且当编码器以顺时针方向旋转时，Q点输出的信号将变强；当编码器以逆时针方向旋转时，Q点输出的信号则将变弱；通过这个特点可以辨别编码器的旋转方向。信号A或B均可用作增量脉冲。例如：若为20脉冲增量式编码器，针对每次360°轴转，A点或B点输出的信号将产生20个脉冲。

在那些编码器旋转次数较少的应用中，简单的接口电路可正常运行。但是，若某应用需要数百次甚至数千个增量式脉冲(如：计数器记录的脉冲个数需达到1000个)，那么该编码器则不适用。20脉冲增量式编码器需旋转50次才能产生1000个脉冲，这是一项费时费力的任务。

但是，若增加一个集成电路(也就是IC3，它是一个双重可再触发的单稳态多谐振荡器)和少量廉价的元件，电路就可确定编码器什么时候旋转速度较快，从而产生用于信号B的各增量式脉冲的多个输出脉冲。图1的非阴影区显示的就是这个附加电路，其工作原理如下：

单稳态多谐振荡器IC3a及触发器IC2b形成了一个简单的频率检测器，可监控B点的信号频率。当编码器的旋转速度加快时可增加信号频率和缩短信号周期。当信号周期小于单稳态多谐振荡器定时元件、R5和C3所设定的阈值时，频率检测器能探测到。

在添加R6、C4和Q1后，第二个单稳态多谐振荡器IC3b成为非稳态式多谐振荡器。定时元件R6-C4和R8-C5确定了从引脚12所获取的非稳态式多谐振荡器输出信号的频率和占空比。

第一个单稳态多谐振荡器IC3a用于触发B点的下降沿，在B点的上升沿对触发器IC2b进行定时。当编码器的转速相对较慢时，IC3a处Q输出端(引脚13)的信号由一系列正向脉冲组成。脉冲宽度按照如下公式计算：

t(w)=0.45×R5×C3(s)(Vcc=5V)

当R5=560kΩ，C3=100nF时，t(w)的值为25ms。当编码器的转速降低时，信号B的频率降低，周期相对较长，且(在信号B的下降沿定时后)IC3a处Q输出端的信号在信号B再次变强前会降低至一个较弱的水平。现在，因为Q输出端驱动IC2b/复位输入端，触发器输入端(引脚11)处信号B的正向转换对输出端无影响，且Q输出端(引脚9)的信号保持在较弱的水平。这反过来使IC3b/复位输入端(引脚11)的信号变弱，进而使IC3b附近形成的非稳态式多谐振荡器处于复位状态，这样其输出端/Q处输出端(引脚12)的信号保持在较强的水平。总体结果为IC3a处Q输出端25ms的脉冲被IC1d门控，并进一步被IC1c转化，这样电路输出端就能输出一系列等宽的正向脉冲，各脉冲均与编码器增量式旋转相对应。因此，当编码器缓慢旋转时，该电路每个增量仅产生一个25ms的输出脉冲。

如果编码器快速旋转，信号B的周期也会相应地减少，直至信号较弱时宽度(“间隔”)仅小于t(w)(IC3a输出脉冲的持续时间)。由于信号B变强时，Q处(引脚13)输出的信号也会变强，IC2b的触发器会根据B的上升沿定时，Q处(引脚9)输出端的信号变强。信号由弱变强的过渡使IC3b走出复位状态，同时触发非稳态式多谐振荡器使其在R6-C4和R8-C5确定的频率上开始振荡。因此，除IC3a处Q输出端的脉冲外，IC3b处Q输出端的一个或多个脉冲也被IC1d门控。具体见图2a的底部迹线所示。

最后，当旋转编码器快速旋转时，B处下降沿会在IC3a处Q输出端的信号变弱前重新触发IC3a。在此情况下，IC3a处和IC2b处的Q输出端的信号一直都比较强，从而使非稳态式多谐振荡器可自由振荡。因此，IC1c输出端的信号是一个在非稳态频率中形成的脉冲串，具体见图2b的底部迹线所示。

电路由单脉冲向多脉冲转变的时间点由IC3a的定时元件确定。合理情况下，旋转编码器的最快转速大约是每秒两圈。对于每转20个增量的编码器而言，这相当于每秒产生40个脉冲或一个为期25ms的信号周期。因此，当编码器的旋转速度超过每秒两圈，电路转换会产生多个输出脉冲。

所选择的非稳态频率需满足相应的要求。如图1中所示的R6、C4、R8和C5的值，非稳态频率约为600Hz，脉冲宽度为1ms。请注意，若要使电路正常工作，IC3a必须是一个可再触发的单稳态多谐振荡器。通常情况下，IC1c未使用的输入端连接至高电平作为逆变器使用。然而，如果将该输入端与IC2a处的Q输出端相连，那么仅当编码器顺时针旋转时，电路才会产生输出脉冲；反过来，如果将NAND输入端与IC2a处的Q输出端相连，那么仅当编码器逆时针旋转时，该电路才会产生输出脉冲。若编码器按特定方向旋转，电路才会产生所需的输出脉冲，此时可按照要求来设定编码器的旋转方向。

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