專利名稱：采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高編碼器分辨力的方法和電路，具體是一種采用二級(jí)細(xì)分法提 高磁性編碼器和光柵編碼器分辨力的方法和電路。
背景技術(shù)：
磁柵編碼主要用于線位移和角位移的測(cè)量，可分為長(zhǎng)度磁柵和徑向磁柵編碼器。 通常的磁柵編碼器包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體，一個(gè)隨運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)的磁鼓，磁鼓上刻有交替 變化的磁柵。隨著磁柵的運(yùn)動(dòng)，會(huì)在運(yùn)動(dòng)的磁鼓周圍產(chǎn)生周期變化的磁場(chǎng)，通過(guò)磁性敏感元 件(磁頭)感知周期變化的磁場(chǎng)，從而轉(zhuǎn)化為變化的電壓輸出信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大整形 轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，得到所要測(cè)量的角 位移或線位移。光柵編碼器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，它主要用于線位移和角位移的測(cè)量，因 而又分為長(zhǎng)度光柵和徑向光柵。通常光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件組成。 光柵副是光柵傳感器的主要部分，在長(zhǎng)度計(jì)量中應(yīng)用的光柵通常稱為計(jì)量光柵，它主要由 主光柵(也稱標(biāo)尺光柵)和指示光柵組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的莫 爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈 沖信號(hào)，并用數(shù)字顯示，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離。提高編碼器分辨力的方法。提高編碼器(包括磁柵編碼器和光柵編碼器)的分辨 力的方法主要有1.增加單位長(zhǎng)度上所刻的柵極數(shù)，但會(huì)引起輸出信號(hào)的信噪比的下降， 因而柵極數(shù)不能無(wú)限增加。2.直接細(xì)分法，使運(yùn)動(dòng)物體移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出多個(gè)脈沖信號(hào)， 因而可以在不降低信噪比的前提下，提高編碼器的分辨力。通常直接細(xì)分法常用的細(xì)分?jǐn)?shù) 為4，即四細(xì)分。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距BH/4(其中Bh為一個(gè)柵距)的探測(cè)元件，這樣可 以獲得依次有相位差90°的4個(gè)正弦交流信號(hào)。再用鑒零器分別鑒取4個(gè)信號(hào)的零電平。 這樣在每個(gè)柵極周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。但四細(xì)分法提高編碼器的分 辨力能力有限，且存在探測(cè)器安放困難的問(wèn)題。因此依靠傳統(tǒng)的增加編碼器上柵極的方法， 和傳統(tǒng)的直接細(xì)分法，無(wú)論是對(duì)于光柵編碼器還是磁柵編碼器，在提高分辨力上都存在很 大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種能在穩(wěn)定工作前提下，有 效提高編碼器分辨力的方法及其電路，即基于高頻、高分辨力時(shí)鐘的二級(jí)細(xì)分法。本發(fā)明的工作原理利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK對(duì)探測(cè)器放大整形后的信號(hào)MCP進(jìn)行 一級(jí)粗計(jì)數(shù)，得到編碼器輸出的粗計(jì)數(shù)數(shù)值。另外采用高頻時(shí)鐘信號(hào)CP對(duì)MCP進(jìn)行二級(jí)細(xì) 分，分別得到CLK上升沿到MCP上升沿、CLK下降沿到MCP上升沿時(shí)間段內(nèi)的CP脈沖數(shù)。以 及單個(gè)MCP周期時(shí)間段內(nèi)所包含的CP脈沖數(shù)。再通過(guò)計(jì)算處理，得到編碼器輸出的細(xì)分計(jì) 數(shù)值。最后將編碼器輸出的粗計(jì)數(shù)值和細(xì)分計(jì)數(shù)值結(jié)合起來(lái)一起輸出，即得到編碼器的高分辨力輸出值。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法如下以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK作為閘門(mén)信號(hào)對(duì)編碼器整形信號(hào)MCP進(jìn)行粗計(jì)數(shù)當(dāng)CLK出 現(xiàn)上升沿，則開(kāi)始對(duì)MCP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到CLK下降沿的來(lái)臨；計(jì)得在CLK高電平時(shí)間間隔Th 內(nèi)MCP上升沿個(gè)數(shù)為M ；在從CLK上升沿直到MCP上升沿的時(shí)間間隔Tm內(nèi)，對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)CP進(jìn)行二級(jí) 細(xì)分計(jì)數(shù)當(dāng)CLK出現(xiàn)上升沿，開(kāi)始對(duì)CP進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)，直到MCP上升沿來(lái)臨，停止對(duì)CP計(jì) 數(shù)，在Thi時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)得CP上升沿個(gè)數(shù)為N1 ；在從CLK下降沿直到下一次MCP上升沿的時(shí)間間隔Th2內(nèi)，對(duì)CP進(jìn)行二級(jí)細(xì)分計(jì) 數(shù)CLK出現(xiàn)下降沿的時(shí)候，開(kāi)始對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到下一次MCP上升沿的到來(lái)，停止對(duì)CP 計(jì)數(shù)，計(jì)得在Th2時(shí)間內(nèi)CP上升沿個(gè)數(shù)為N2 ；在MCP的每一個(gè)周期Tm內(nèi)，對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)以MCP進(jìn)行二分頻后的DMCP信號(hào)對(duì) CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，所述DMCP信號(hào)的高電平時(shí)間為MCP的周期Tm ；當(dāng)DMCP上升沿來(lái)臨，開(kāi)始對(duì)CP 進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到DMCP下降沿到來(lái)，停止計(jì)數(shù)，在MCP —個(gè)周期Tm時(shí)間內(nèi)計(jì)得CP上升沿個(gè)數(shù) 為Nx ；對(duì)所述Nx的計(jì)數(shù)分為兩個(gè)，對(duì)于Tm之后的一個(gè)DMCP高電平時(shí)間Tm內(nèi)，計(jì)得的CP上 升沿個(gè)數(shù)為Nxl ；在Th2之后的DMCP —個(gè)高電平時(shí)間Tm內(nèi)計(jì)得的CP上升沿個(gè)數(shù)為Nx2 ；對(duì)以上計(jì)數(shù)值M、N1, N2, Nx1, Nx2進(jìn)行如下計(jì)算處理MM=是+則Mm為編碼器的輸出值，其中N1ZiNxl為T(mén)m時(shí)間內(nèi)編碼器的輸出值，N2/Nx2為T(mén)h2時(shí) 間內(nèi)編碼器的輸出值，N1ZiNxl < 1，N2/Nx2 < 1。所述時(shí)間段TH，Thi，TM, Th2有以下關(guān)系
權(quán)利要求
一種采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法，其特征是所述方法如下以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK作為閘門(mén)信號(hào)對(duì)編碼器整形信號(hào)MCP進(jìn)行粗計(jì)數(shù)當(dāng)CLK出現(xiàn)上升沿，則開(kāi)始對(duì)MCP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到CLK下降沿的來(lái)臨；計(jì)得在CLK高電平時(shí)間間隔TH內(nèi)MCP上升沿個(gè)數(shù)為M；在從CLK上升沿直到MCP上升沿的時(shí)間間隔TH1內(nèi)，對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)CP進(jìn)行二級(jí)細(xì)分計(jì)數(shù)當(dāng)CLK出現(xiàn)上升沿，開(kāi)始對(duì)CP進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)，直到MCP上升沿來(lái)臨，停止對(duì)CP計(jì)數(shù)，在TH1時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)得CP上升沿個(gè)數(shù)為N1；在從CLK下降沿直到下一次MCP上升沿的時(shí)間間隔TH2內(nèi)，對(duì)CP進(jìn)行二級(jí)細(xì)分計(jì)數(shù)CLK出現(xiàn)下降沿的時(shí)候，開(kāi)始對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到下一次MCP上升沿的到來(lái)，停止對(duì)CP計(jì)數(shù)，計(jì)得在TH2時(shí)間內(nèi)CP上升沿個(gè)數(shù)為N2；在MCP的每一個(gè)周期TM內(nèi)，對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)以MCP進(jìn)行二分頻后的DMCP信號(hào)對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，所述DMCP信號(hào)的高電平時(shí)間為MCP的周期TM；當(dāng)DMCP上升沿來(lái)臨，開(kāi)始對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到DMCP下降沿到來(lái)，停止計(jì)數(shù)，在MCP一個(gè)周期TM時(shí)間內(nèi)計(jì)得CP上升沿個(gè)數(shù)為Nx；對(duì)所述Nx的計(jì)數(shù)分為兩個(gè)，對(duì)于TH1之后的一個(gè)DMCP高電平時(shí)間TM內(nèi)，計(jì)得的CP上升沿個(gè)數(shù)為Nx1；在TH2之后的DMCP一個(gè)高電平時(shí)間TM內(nèi)計(jì)得的CP上升沿個(gè)數(shù)為Nx2；對(duì)以上計(jì)數(shù)值M、N1，N2，Nx1，Nx2進(jìn)行如下計(jì)算處理 <mrow><msub> <mi>M</mi> <mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>N</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>N</mi><mrow> <mi>x</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub></mfrac><mo>+</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>N</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>N</mi><mrow> <mi>x</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub></mfrac> </mrow>則MM為編碼器的輸出值，其中N1/Nx1為T(mén)H1時(shí)間內(nèi)編碼器的輸出值，N2/Nx2為T(mén)H2時(shí)間內(nèi)編碼器的輸出值，N1/Nx1＜1，N2/Nx2＜1。
2.如權(quán)利要求1所述采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法，其特征是所述時(shí)間段 Th' Tm, Tm,Th2有以下關(guān)系: T11 — TH1+MTM_TH2o
3.一種采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法的實(shí)施電路，其特征是包括 第一模塊，得到編碼器整形信號(hào)MCP信號(hào)的上升沿截止信號(hào)；第二模塊，得到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升沿使能信號(hào)UP與下降沿使能信號(hào)DOWN ；第三模塊，獲得MCP的二分頻信號(hào)DMCP ；第四模塊，以CLK作為閘門(mén)信號(hào)對(duì)MCP進(jìn)行粗計(jì)數(shù)；第五模塊，在時(shí)間間隔Tm內(nèi)對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)CP進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)；第六模塊，在時(shí)間間隔Th2內(nèi)對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)CP進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)；第七模塊，在MCP的每一個(gè)周期Tm內(nèi)，以MCP進(jìn)行二分頻后的DMCP信號(hào)對(duì)CP進(jìn)行計(jì)數(shù)；所述第四模塊計(jì)得在CLK高電平時(shí)間間隔Th內(nèi)MCP上升沿個(gè)數(shù)為M ；所述第五模塊在 Tm時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)得CP上升沿個(gè)數(shù)為N1 ；所述第六模塊計(jì)得在Th2時(shí)間內(nèi)CP上升沿個(gè)數(shù)為 N2 ；所述第七模塊對(duì)于Thi之后的一個(gè)DMCP高電平時(shí)間Tm內(nèi)，計(jì)得的CP上升沿個(gè)數(shù)為Nxl ； 在Th2之后的DMCP —個(gè)高電平時(shí)間Tm內(nèi)計(jì)得的CP上升沿個(gè)數(shù)為Nx2 ； 對(duì)以上計(jì)數(shù)值M、N1, N2, Nx1, Nx2進(jìn)行如下計(jì)算處理則Mm為編碼器的輸出值，其中N1ZiNxl為T(mén)hi時(shí)間內(nèi)編碼器的輸出值，N2/Nx2為T(mén)h2時(shí)間內(nèi) 編碼器的輸出值，N1ZiNxl < 1，N2/Nx2 < 1。
4.權(quán)利要求4所述電路，其特征是所述第一模塊得到MCP信號(hào)的上升沿截止信號(hào)MUP的邏輯關(guān)系式為=MUP=(MCP)w (MCP)w+1，其中，(疏、為第η個(gè)CP脈沖時(shí)刻MCP的邏輯非，(MCP)n+1為n+1時(shí)刻MCP的邏輯值，MUP的觸發(fā)時(shí)鐘為CP。
5.權(quán)利要求4所述電路，其特征是所述第二模塊得到CLK的上升沿使能信號(hào)UP的邏輯 表達(dá)式為UP=^!^>(CLK)m+1，其中UP的觸發(fā)脈沖為MCP ；CLK下降沿使能信號(hào)DOWN的邏輯表達(dá)式為DOWN=(CLK) .(CLK)^1，其中DOWN的 觸發(fā)脈沖為MCP。
6.權(quán)利要求4所述電路，其特征是所述第三模塊包括一個(gè)74LS90計(jì)數(shù)器，將74LS90計(jì) 數(shù)器的RO (1)，RO (2)，R9 (1)，R9 (2)端接地，即置低電平，使74LS90構(gòu)成一個(gè)二分頻分頻器； MCP連接到74LS90計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端即CKA端，74LS90計(jì)數(shù)器的QA端輸出即為MCP 二 分頻后的信號(hào)DMCP ；所述DMCP信號(hào)的高電平時(shí)間等于MCP信號(hào)的周期。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種采用二級(jí)細(xì)分提高編碼器分辨力的方法及其電路，即基于高頻、高分辨力時(shí)鐘的二級(jí)細(xì)分法。可以在穩(wěn)定工作的前提下，提高編碼器的分辨力。適用于磁柵編碼器和光柵編碼器，也適用于線性編碼器和徑向編碼器。本方法基于脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK內(nèi)編碼器上探測(cè)器脈沖信號(hào)MCP上升沿個(gè)數(shù)即整脈沖數(shù)；再采用高頻時(shí)鐘信號(hào)CP對(duì)探測(cè)器脈沖信號(hào)MCP進(jìn)行二級(jí)細(xì)分；最后再通過(guò)對(duì)各段測(cè)量結(jié)果計(jì)算得出編碼器的測(cè)量值。此外本發(fā)明還給出了本方法采用分立器件的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)電路。本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)明清晰，實(shí)用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，電路工作穩(wěn)定可靠，易于與現(xiàn)有編碼器的技術(shù)和應(yīng)用結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/38GK101936751SQ20101023511
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者劉明峰, 王建國(guó), 白建民, 薛松生, 魏福林 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)