旋轉(zhuǎn)編碼器的抗抖動計數(shù)電路

摘要：旋轉(zhuǎn)編碼器應用于角度定位或測量時，由于旋轉(zhuǎn)軸的晃動可能引起編碼器輸出波形的，從而引發(fā)誤計數(shù)現(xiàn)象。介紹了一個抗抖動計數(shù)電路，濾除了旋轉(zhuǎn)編碼器因抖動而造成的誤計數(shù)。

關鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器 抗抖動電路 數(shù)字電路

旋轉(zhuǎn)編碼器應用于角度定位或測量時，通常有A、B、Z三相輸出。旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出波形見圖1。A相和B相輸出占空比為50%的方波。編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖（如100個脈沖）。當編碼器正向旋轉(zhuǎn)時，A相比B相超前四分之一個周期；當編碼器反向旋轉(zhuǎn)時，B相比A相超前四分之一個周期。A相和B相輸出方波的相位差為90°。編碼器每轉(zhuǎn)一周，Z相輸出一個脈沖。由于編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖，則A相或B相每輸出一個脈沖，表示編碼器旋轉(zhuǎn)了一個固定的角度。當Z相輸出一個脈沖時，表示編碼器旋轉(zhuǎn)了一周。因此旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量角位移及位移方向。

問題出在伺服系統(tǒng)停止工作時，若無鎖定，則旋轉(zhuǎn)軸受外力（如風力影響）可能自由晃動，因而引起編碼器輸出波形抖動，如圖2所示，從而引起誤計數(shù)。在這種情況下，就不能對波形進行正確計數(shù)。雖然可以通過軟件設置標志狀態(tài)，用記錄歷史狀態(tài)的變化來濾除誤計數(shù)，但是程序耗費頗大。因此，本人設計了一個抗抖動計數(shù)電路。它能夠自動消除抖動造成的誤計數(shù)。

1 抗抖動計數(shù)電路原理圖

圖3是抗抖動計數(shù)電路原理圖。此電路濾除了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出波形的抖動現(xiàn)象。該電路分為四個部分：譯碼電路U4A；互鎖電路U5A、U5B；正旋計數(shù)鏈J1、J3、J5和反旋計數(shù)鏈J2、J4、J6。U4A為二四譯碼器，U5A、U5B為與門，J1～J6為D觸發(fā)器。正旋計數(shù)鏈負責對編碼器正向旋轉(zhuǎn)的計數(shù)，反旋計數(shù)鏈負責對編碼器反向旋轉(zhuǎn)的計數(shù)。

2 抗抖動計數(shù)電路工作分析

圖4為二四譯碼器輸出的波形。譯碼器產(chǎn)生d、a、b、c四種不同的狀態(tài)。在圖3中當B=0、A=0時，譯碼器Q0輸出為d狀態(tài)，d狀態(tài)為高電平。當B=0、A=1時，譯碼器Q1輸入為a狀態(tài),a狀態(tài)為高電平。當B=1、A=1時，譯碼器Q2輸出為b狀態(tài)，b狀態(tài)為高電平。B狀態(tài)不影響計數(shù)和方向確定，在圖3電路中沒有使用。當B=1、A=0時，譯碼器Q3輸出為c狀態(tài)，c狀態(tài)為高電平。

當旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時，譯碼器輸出的狀態(tài)順序為d、a、b、c、d、a、b、c……。如圖4所示。當B=0、A=0時，進入d狀態(tài)，與門U5A的Pin2=a=0(Pin是管腳的意思)，于是U5A的輸出Pin3=0。D觸發(fā)器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0.與門U5B的Pin5=c=0，于是U5B的輸出Pin4=0。D觸發(fā)器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。這時J1、J2的Q端都為1，與門U5的Pin1=Pin6=1,U5A和U5B都處于等待開門狀態(tài)。當進入狀態(tài)a時，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。由于c=0，所以J2的Q端仍為1，U5A的Pin1=1，U5A的輸出Pin3=1.J1的R=d=0、S=1，因此J1被置1。J1的Q=1，Q=0。J1的Q=1，正旋標志送到了J3的D端。時J1的Q端關閉了U5B。在下一個d出現(xiàn)之前，所有的c脈沖都不會改變J2的狀態(tài)。這就說，J1、J3、J5組成的正旋計數(shù)鏈被打開，J2、J4、J6組成的反旋計數(shù)鏈被阻斷。U5A、U5B、J1、J2完成互鎖的功能。在進入狀態(tài)a時，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0.在進入狀態(tài)c前，J3的R=a=0、S=0、D=1，J3處于待觸發(fā)狀態(tài)。J3的CLK=c，當c脈沖上升沿過后，D=1被打入J3的Q端，正旋標志送到了J5的D端。在進入狀態(tài)d前，J5的R=a=0、S=0，J5處于待觸發(fā)狀態(tài)。J5的CLK=d，當d脈沖上升沿過后，D=1被打入J5的Q端，正旋標志送到了正旋計數(shù)輸出端。正旋計數(shù)輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?。到此為止，完成了一次正旋計?shù)。當由狀態(tài)d進入狀態(tài)a時，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋計數(shù)輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?。由此可知，當旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時，對應A相 B相的每一個完整周期，正旋計數(shù)輸出端都會產(chǎn)生相應的一個脈沖。

A的出現(xiàn)搶到了正旋計數(shù)權(quán)。只有在d重新出現(xiàn)后，脈沖c才可能有機會搶到反旋計數(shù)權(quán)。從而保證了一旦進入正旋計數(shù)狀態(tài)，不全完成這一過程，就進入不了反旋計數(shù)狀態(tài)。運行時有可能從狀態(tài)a返回狀態(tài)d，結(jié)果這只不過釋放正旋計數(shù)權(quán)。因這時正旋標志還只在J3輸入端上，a出現(xiàn)時已把J3清0。D狀態(tài)只會把0送給J5的Q端，因此不會產(chǎn)生誤計數(shù)。

當旋轉(zhuǎn)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時，譯碼器輸出的狀態(tài)順序為d、c、b、a、d、c、b、a……。這種情況的分析方法與正向旋轉(zhuǎn)的分析方法相同，這里不再敘述。

這就好比接力賽。在一個只允許上一個人的封閉的環(huán)形跑道上依次均勻設d、a、b、c、四個站，立四個裁判員。d點為起止點、出入口，持棒運動員沿環(huán)形跑道一站站往下跑。D裁判長的職責是：運行員往a去（順行），告示：“有人，正向”；往c去（逆行），告示：“有人，反相”。其他裁判員的職責是給到達本站的運動員發(fā)簽證（計數(shù)標志），往回跑，撤銷簽證。d裁判長的計分規(guī)則是：憑其他裁判的簽證齊全加牌示，正，加一分，反，減一分，然后撤銷簽證。簽證不齊到d，則不計分，撤銷簽證。運行員在跑道內(nèi)來回跑或坐時，d裁判視而不見。

例如在圖2中，當從狀態(tài)d進入狀態(tài)a時，正旋標志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b都不起作用，只是把J3和J5反復清0.當從狀態(tài)c進入狀態(tài)d時，正旋標志到正旋計數(shù)輸出端，同時J1和J2被清零。在從狀態(tài)d進入狀態(tài)c后，反旋標志送到J4的D端。同時，D=0被打入J3的Q端，這時J5的D端為零。在從狀態(tài)c回到狀態(tài)d后，反旋計數(shù)權(quán)被釋放。但是，由于J5的D端為零，雖然這里再次出現(xiàn)狀態(tài)d,該d脈沖不會發(fā)生計數(shù)，這就是抗抖動。

圖5為抗抖動計數(shù)電路的輸出波形。此電路計數(shù)頻率可達10MHz。A相和B相輸入前應予整形，必要時還要進行電隔離。

本人把此電路用于對在線云臺角度的定位與測量。天線云臺有兩個旋轉(zhuǎn)角度，俯仰角從0～90度，方位角從0～354度。旋轉(zhuǎn)編碼器用的是OMROM公司的E6A2。此編碼器每轉(zhuǎn)一周，A相或B相輸出一百個脈沖。由此可得，抗抖動計數(shù)電路每輸出一個脈沖，編碼器旋轉(zhuǎn)的角度是3.6度。如果加上變速齒輪將會提高角度測量精度。把抗抖動電路的正旋計數(shù)輸出和反旋計數(shù)輸出接到單片機的中斷管理上，其下降沿時給單片機發(fā)中斷。單片機把處理的角度信息送到顯示屏上顯示出來，從而完成了對天線云臺角度的定位與測量。這套天線角度顯示系統(tǒng)在實際使用中運行一直很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過誤計數(shù)現(xiàn)象。