光電編碼器信號傳輸的光纖實現

3.增量式光電編碼器信號傳輸的光纖實現

增量式光電編碼器不具有計數和接口電路，價格較低，在實際工程中比較常用。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。如圖4所示。碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期;檢測光柵上刻有A、B兩個與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過光源、碼盤之間的光線，從而使光電探測器件檢測到光信號。A、B各自的透光縫隙和碼盤上的透光縫隙相等，但A、B兩組透光縫隙錯開1/4節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電角度。A、B兩相相差90°的正交方波脈沖串，代表被測轉軸旋轉了一定的角度，A、B之間的相位關系則反映了被測轉軸的旋轉方向，即當A相超前B相90°，轉動方向為正轉;當B相超前A相90°，轉動方向為反轉;Z信號是一個代表零位的脈沖信號，可以用以調零、對位和重置計數器。

示意如圖5所示：

當碼盤隨著被測轉軸轉動時，光源、光欄板與檢測光柵均不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透光縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電角度的近似于正弦波的電信號，正弦波電信號經過比較器，可以得到方波信號。一般增量式編碼器的輸出方式有電壓輸出、互補輸出、集電極開路輸出以及驅動器輸出。各種傳輸方式的電路如圖6所示：

由于我方的某控制系統遠離編碼器的安裝處，目前采用了驅動器輸出方式，驅動器輸出方式能提高信號的抗干擾能力，用與長距離傳輸。A、B、Z三路脈沖信號分別輸入驅動器，經驅動器反相后輸出相互正交的脈沖信號(脈沖幅度約3V左右)進行遠距離傳輸，通過檢測脈沖數即可知道被測轉軸的轉角或速度信息。信號如圖7所示：

采用三路相互正交的脈沖信號進行長距離傳輸，目的是為了提高信號的抗干擾能力。但是，一般編碼器的輸出信號均要求與強電分開傳輸，而在我方具體的應用系統中，單獨鋪設編碼器信號傳輸電路存在施工難度，而且增加了線路的復雜性。為此，考慮將編碼器輸出信號進行光電轉換，采用塑料光纖進行傳輸(塑料光纖作為工業級應用場合，具有柔韌性高、不易磨損等特點)。從而可以將光纖與強電纜在同一線槽中鋪設，提高信號傳輸抗干擾的同時，節省了步線空間并降低了綜合成本。針對輸出的A、B、Z三相脈沖信號，可以直接將其轉換為光信號(如圖8所示)，使光電編碼器的輸出方式統一規劃為光信號(電壓輸出、互補輸出、驅動器輸出、集電極開路輸出均可采用此種方法)，而在接收端通過光纖接收器將光信號轉換為電信號(如圖9所示)進入相應的處理電路，進行計數等處理。

選用美國安華高科(Avago TECHNOLOGIES)公司的HFBR-1523Z,HFBR-2523Z光纖收發器( 6 6 0納米)。這組光纖收發器最高傳輸速率4 0 K B d,工作溫度范圍0℃~70℃，最大工作電流25mA,光纖采用Ф1塑料光纖。此處需明確波特率和比特率的區別。波特(baud)是指信號大小方向變化的一個波形，編碼器輸出波特率為1024ps,即每秒傳輸信號波形變化1024個。一個信號波形可以包含一個或多個二進制位，例如單比特信號的傳輸速率為9600bit/s,則其波特率為9600baud,它意味著每秒可傳輸9600個二進制脈沖。

如果信號波形由2個二進制位組成，當傳輸速率為9600bit/s時，則其波特率只有4800baud.實驗中選擇光纖收發器的通信速率為40Kbps時，HFBR-1523Z(發射)，HFBR-2523Z(接收)光纖收發器可以滿足要求。圖10所示為從示波器上捕獲的波形。檢測發射器HFBR-1523Z的輸入DATE,波形如上面方波所示，經過電光轉換，然后通過塑料光纖傳輸，在接受器HFBR-2523Z的1引腳上檢測到的一幀接收號波形(下面)，實現了編碼器脈沖信號的光纖傳輸。