光电码盘四倍频双向计数电路设计

徐榕龙　江雄

摘 要：光电码盘在转角测量机构中应用广泛，但成本较低的光电码盘的测量精度在某些应用领域中不能满足要求，设计电路提高基于光电码盘测角机构的测量精度能够解决这类问题，而且成本低、体积小。本文简要介绍了光电码盘的工作原理，为提高光电码盘转角测量精度，对码盘输出信号进行四倍频分析，设计了脉冲四倍频电路模块和双向计数电路模块，仿真验证了电路的可行性。

关键词：光电码盘 倍频 双向计数

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0114-02

1 光电码盘简介

光电码盘是一种通过光电转换将角位移量转换成脉冲或数字量的光电传感器，是一种集光、机、电一体的数字测角装置。它的核心部分是高精度的计量光栅，由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。它依靠计量光栅作为检测工具，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，通过电子检测装置检测输出脉冲信号，把位移或者角度信息转换成相应的模拟或者数字信号，其原理图如图1所示。光电码盘每旋转1密位则输出一个周期脉冲，通过计算每次转动输出脉冲个数即可计算出转过的角度密位值，为辨别旋转方向，码盘提供相位相差90°的两相脉冲。

光电码盘结构简单、体积小、重量轻、分辨率高，因此在雷达、指挥仪、经纬仪、自动测量、遥感等领域应用十分广泛。随着光电技术的迅速发展，光电码盘已经成为一种高精度角度传感器。但在实际应用中，不同价格的光电码盘对转角的测量精度有所差别，精度高的码盘一般价格较贵，不适用于需要控制成本的转角测量系统，而对于便宜的光电码盘，直接利用码盘输出的脉冲进行计数所得到的结果不能满足所要求的精度。

本文通过分析码盘输出信号四倍频方案，设计码盘输出脉冲四倍频电路，并实验验证了该电路的倍频结果，将其应用于输出精度为1密位的码盘，可将测角显示精度提高到0.25密位。与直接使用高精度码盘相比，此设计成本低，能满足一般光电码盘的需求。

2 输出脉冲四倍频分析

码盘每转动1密位就输出1个周期脉冲，直接对码盘输出脉冲进行计数只能精确到1密位，而设计所需的精度至少应达到0.25密位，故直接对码盘输出脉冲进行计数不能满足精度要求，可通过对码盘输出的脉冲进行四倍频达到提高测量精度的目的。如图2是对脉冲进行四倍频分析波形圖。每一个周期包含两个边沿信号，A、B两路输出信号相位相差恰为90°，若利用A、B两路信号的边沿信号共同计数，则在一个周期内恰能计数4次，即每输出一个脉冲代表光电码盘转动了0.25密位，可通过微分电路将边沿信号转换成窄脉冲信号，再通过门电路输出满足计数要求的脉冲，以达到提高测量精度的目的。

为了能辨别码盘转动的方向，计数电路对四倍频电路输出的信号有着特殊的要求，当正向计数时，正向信号为脉冲信号，反向信号为高电平信号，而当反向计数时，正向信号为高电平信号，反向信号为脉冲信号。所以，四倍频电路最终输出的信号如图2的最后两路信号所示。

3 电路设计

本文所有电路图用Altium Designer 09[1]设计完成。

3.1 四倍频电路设计

脉冲四倍频模块硬件设计采用了四组微分电路[2]与两片74LS08芯片结合，实现对码盘输出信号四倍频。AA端和BB端分别连接码盘的A相和B相输出信号，两块74LS08芯片的输出端分别代表四倍频电路的正向和反向脉冲输出。

首先将码盘输出的A相和B相脉冲经非门反向得到脉冲A、、B和脉冲，通过合适的微分电路将所有上升沿转换为正的窄脉冲，经过与门电路得到在一个码盘输出脉冲的周期内具有4个由上升沿转换出来的正向窄脉冲，输出脉冲的周期缩短了4倍，从而能实现对输出脉冲的四倍频。由于双向计数电路要求输入的两个方向脉冲是窄低电平脉冲和高电平组合，故还需将脉冲进行逻辑非，通过一个四输入与非门即可实现。

3.2 双向循环计数电路

由于光电码盘每转动一密位输出一个周期脉冲，故码盘转动一周输出6000个脉冲，经四倍频后为24000个脉冲，此时码盘转动一周，计数电路需计数24000次，而24000转换成二进制数为0101 1101 1100 0000，采用二进制计数方式需要至少15位，本设计采用4片74ls19芯片完全能满足要求。计数电路各芯片的输出端QA、QB、QC、QD连接STC89C52单片机[3]的P0口和P2口，再连接至数码管以显示输出结果。

3.2.1 级联计数

74LS193为二进制可加可减计数器，输出位数为4位，将4片这样的芯片经级联可满足所需要求。芯片的UP引脚为正向脉冲输入引脚，与四倍频电路正向脉冲输入端相连，DWN引脚为反向脉冲输入引脚，与4倍频电路反向脉冲输入端相连；BRW和CO引脚分别是借位引脚和进位引脚，分别与下一级芯片的DWN和CO引脚相连，4片74LS193芯片照此法级联形成双向计数电路。该电路加减计数原理相似，以加计数为例，正向计数输出脉冲输入到最低级芯片的加计数端，当最低级芯片计数值超过1111时，其进位输出端输出一个低电平脉冲，作为下一级芯片的加计数端输入信号，下一级芯片计数溢出后再向下一级芯片进位，如此实现4块芯片级联计数。

3.2.2 清零与置数

当正向计数到24000时，4块计数芯片输出0101 1101 1100 0000，此时C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6输出同时为1时，若码盘继续转动，应从0开始循环计数，这一过程是通过清零电路实现的。其原理是C14、C12、C11、C10、C8、C7、C6输出同时为1时，三三输入与门74LS11的输出端输出高电平，为了达到单片机复位时计数电路也清零的目的，从复位电路的开关近地端引出信号与74LS11的输出端信号通过或门与计数电路清零端CLR引脚连接，一起控制计数电路清零，从而实现循环正向计数和复位即清零。

当反向计数到零时，4块芯片输出均为零，继续反向计数，最高位芯片的借位端BRW引脚将输出一个低电平，并且只有这个时刻该引脚才输出低电平，而芯片的置位端LD引脚低电平有效，4块芯片的A、B、C、D引脚连接不同的电平表示不同的置位数值，其二进制数原理与输出端引脚相同，所以，将最高位芯片的借位端BRW引脚与置位端LD引脚连接，当反向计数到零时，从24000开始循环计数。

4 仿真及分析

按照上面所述电路原理设计四倍频双向计数电路图，用虚拟信号发生器模拟产生码盘的两相输出信号，用虚拟示波器测量ZZ端和FZ端的输出信号，启动仿真，示波器测量得到的输出信号的频率是码盘输出信号的4倍，数码管显示每隔0.25增加或减小。证明设计的电路符合要求，能够应用于码盘计数电路。

参考文献

[1] 雍杨，陈晓鸽.Altium Designer 09电路设计标准教程[M].北京：科学出版社，2011.

[2] 华成英，童诗白.模拟电子计数基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.endprint