Адаптивный датчик угла поворота отличает «грубо» от «точно»

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2013

Замечание редактора EDN

Перед вами весьма оригинальное решение проблемы переключения «грубо/точно», возникающей при использовании датчиков углового положения в системах управления. Кто сказал, что без микроконтроллера сделать схему интеллектуальной невозможно?

Инкрементные угловые энкодеры, очень похожие по форме и размерам на общеизвестные монтируемые на панели потенциометры, служат недорогой «цифровой» альтернативой аналоговым потенциометрам. Обычно они используются для регулировки уровня, настройки или установки таймеров в аудиовизуальном оборудовании, в системах кондиционирования и жизнеобеспечения, в бытовых приборах, лабораторном оборудовании, научных приборах и многих других устройствах.

Как правило, датчики углового положения имеют два выхода, фазы сигналов на которых находятся в квадратуре, то есть, сдвинуты на четверть периода. На каждом выходе за один оборот вала формируется фиксированное количество импульсов, по одному импульсу на определенный угол поворота. Внутри энкодера находятся два контакта, общий вывод которых обычно соединен с землей схемы, как это показано на Рисунке 1, а два квадратурных выхода через подтягивающие резисторы (R1 и R2) подключены к шине питания.

Затемненный участок схемы на Рисунке 1 представляет типичный интерфейс датчика углового положения, реализующий квадратурное декодирование. Обеспечивающие фильтрацию шумов и подавление дребезга контактов цепочки R3, C1 и R4, C2, совместно с триггерами Шмитта логических элементов «И-НЕ» IC1a и IC1b формируют прямоугольные цифровые сигналы в точках A и B. Так же, как и на выходе энкодера, эти сигналы сдвинуты по фазе на 90 градусов. Если датчик вращается по часовой стрелке, передний фронт сигнала A опережает передний фронт сигнала B; при вращении против часовой стрелки сигнал B на четверть периода опережает сигнал A.

Рисунок 1.	На быстрое вращение вала датчика углового положения адаптивный интерфейс реагирует соответствующим увеличением частоты выходных импульсов.

Если подать сигнал A на D вход триггера IC2a, а B – на счетный вход, сигнал на выходе Q будет индицировать направление вращения энкодера, оставаясь в состоянии «лог. 1» при вращении по часовой стрелке, и переключаясь в низкий уровень при вращении против часовой стрелки. В качестве инкрементных импульсов можно использовать любой сигнал, как A, так и B. Например, если энкодер вырабатывает 20 импульсов на один оборот, в точках A и B будут возникать по 20 импульсов при повороте вала на каждые 360 градусов.

Эта простая интерфейсная схема прекрасно работает в приложениях, где единовременно требуется повернуть вал энкодера небольшое число раз. Но для случаев, когда необходимо получить сотни, а то и тысячи инкрементных импульсов, подобная схема совершенно не применима. К примеру, представьте себе устройство, в котором на счетчик надо подать тысячу импульсов. Чтобы сформировать такое большое количество импульсов, вал инкрементного энкодера с 20 импульсами на оборот придется повернуть 50 раз! Это займет уйму времени, а на ваших пальцах, скорее всего, появятся мозоли.

Однако, добавив всего одну микросхему (IC3 – сдвоенный ждущий мультивибратор с перезапуском) и горсть недорогих компонентов, можно научить схему понимать, когда энкодер вращается быстро, чтобы генерировать множество выходных импульсов на каждый инкрементный импульс сигнала B. Дополнительные элементы схемы, расположенные на схеме вне затемненной области, работают следующим образом.

Ждущий мультивибратор IC3a и триггер IC2b образуют простой детектор скорости, отслеживающий частоту сигнала B. С увеличением скорости вращения датчика углового положения увеличивается частота сигнала, а период, соответственно, уменьшается. Детектор скорости определяет, когда период сигнала становится ниже порога, установленного времязадающими элементами R5 и C3 мультивибратора.

Второй мультивибратор IC3b за счет добавления элементов R6, C4 и Q1 работает в автоколебательном режиме. Времязадающие компоненты R6, C4 и R8, C5 определяют частоту и коэффициент заполнения его выходных импульсов, формирующихся на выводе 12.

Первый мультивибратор (IC3a) включен таким образом, чтобы запускаться по спаду импульса B, в то время как триггер IC2b синхронизируется передним фронтом B. Когда энкодер вращается относительно медленно, сигнал на выходе Q микросхемы IC3a (вывод 13) состоит из пачек положительных импульсов, ширина которых равна

t_W = 0.45 × R5 × C3 (секунд) (V_СС = 5 В)

При R5 = 560 кОм и C3 = 100 нФ номинальная длительность t_W составит 25 мс. При медленном вращении энкодера частота сигнала B низка, а период относительно велик, и сигнал на выходе Q микросхемы IC3 возвращается в низкий уровень раньше, чем уровень сигнала B опять станет высоким. Поскольку выход Q подключен к входу RESET микросхемы IC2b, положительный фронт сигнала B на входе триггера (вывод 11) не оказывает влияния на его выходы, поэтому Q (вывод 9) остается на низком уровне. Это, в свою очередь, по входу RESET (вывод 11) удерживает автоколебательный мультивибратор IC3b в состоянии сброса, так что его выход Q (вывод 12) постоянно находится в состоянии «лог.1». Таким образом, 25-миллисекундные импульсы с выхода Q мультивибратора IC3a проходят через IC1d и инвертируются вентилем IC1c. В результате выходной сигнал схемы состоит из серии положительных импульсов постоянной ширины, каждый из которых соответствует одному шагу инкрементного энкодера. Следовательно, при медленном вращении вала схема на один инкремент вырабатывает единственный импульс длительностью 25 мс.

Если вращать энкодер достаточно быстро, период сигнала B будет соответственно уменьшаться до тех пор, пока ширина промежутка между импульсами не станет меньше, чем t_W (длительность выходного импульса IC3a). Поскольку сигнал Q, идущий на вывод 13, теперь имеет высокий уровень во время положительного фронта B, триггер IC2b переключается спадом B, и на его выходе Q (вывод 9) устанавливается «лог. 1», разрешающая работу автоколебательного мультивибратора IC3b, начинающего генерировать импульсы, частота которых определяется элементами R6, C4 и R8, C5. Следовательно, к выходному сигналу, помимо импульсов с выхода Q элемента IC3a, через вентиль IC1d будут добавляться один или более импульсов, появляющихся на выходе Q элемента IC3b. Это можно увидеть на нижней осциллограмме Рисунка 2а.

В конце концов, когда датчик вращается очень быстро, отрицательный перепад B перезапускает IC3a раньше, чем у его выхода Q появляется возможность опуститься в «лог. 0». В этих условиях на выходах Q элементов IC3a и IC2b постоянно сохраняется высокий уровень, не препятствующий автоколебательному режиму мультивибратора. Получающийся при этом сигнал на выходе IC1c представляет собой непрерывную последовательность импульсов, которую можно видеть на нижней осциллограмме Рисунка 2б. 

Рисунок 2а.     Схема делает постепенный переход от одиночных импульсов к формированию пачек. Рисунок 2б. Когда энкодер вращают очень быстро, на выходе постоянно присутствуют импульсы автоколебательного мультивибратора.
Пояснения к Рисунку 2.	Верхний канал – сигнал A; средний канал – сигнал B; нижний канал – выход схемы (микросхема IC1c).

Точка, начиная с которой схема перестает генерировать одиночные импульсы и начинает формировать пачки, определяется времязадающими элементами, окружающими IC3a. Можно предположить, что максимальная скорость, доступная реальному пользователю, составляет два оборота в секунду. Для энкодера, вырабатывающего 20 инкрементных импульсов на оборот, это эквивалентно 40 импульсам в секунду, или периоду 25 мс. Поэтому, когда энкодер вращается со скоростью, превышающей два оборота в секунду, схема переходит в режим генерации множества выходных импульсов.

Частота импульсов автоколебательного мультивибратора выбирается исходя из ваших персональных требований. При указанных на Рисунке 1 номиналах элементов R6, C4, R8 и C5 частота равна примерно 600 Гц при номинальной ширине импульса 1 мс. Заметим, что требование наличия перезапуска у мультивибратора IC3a является обязательным для правильной работы схемы. Обычно вентиль IC1c включают инвертором, соединяя неиспользуемый вход с шиной питания. Однако если соединить этот вход с выходом Q микросхемы IC2a, выходные импульсы будут формироваться только при вращении энкодера в направлении часовой стрелки. И наоборот, если подключить вход элемента «И-НЕ» к выходу Q триггера IC2a, схема будет генерировать выходные импульсы только при вращении против часовой стрелки. Такой характер поведения интерфейса может оказаться полезным, если вам необходимо, чтобы формирование импульсов происходило лишь при вращении вала энкодера в каком-то одном направлении.