Простейшая схема показывает направление вращения энкодеров

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Guido Nopper

Electronic Design

Инкрементные угловые или линейные энкодеры очень распространены, но обычно они не вырабатывают сигнала направления. Эта конструкция демонстрирует простой способ определения, в каком направлении – прямом или обратном – вращается энкодер.

Два выходных сигнала инкрементных энкодеров обычно обозначаются как Канал A и Канал B. Эти сигналы содержат информацию как о количестве импульсов, зависящем от разрешения, так и о скорости вращения. Они отличаются только значением фазы (например, –90° для направления вращения по часовой стрелке и +90° – против).

В схеме на Рисунке 1 эти сигналы используются в качестве входных для микросхемы двухканального ждущего мультивибратора 4538. В зависимости от скорости, необходимой для конкретного приложения, этот мультивибратор можно выбрать из состава разных серий, например, 74HC или 74HCT.

Рисунок 1.	Схема определителя направления основана на ждущем мультивибраторе, который, в зависимости от требований к скорости, можно выбрать из серий 74HC или 74HCT.

Чтобы исключить перезапуск мультивибратора, используется обратная связь с одного из выходов на вход. Это не строго обязательно, но помогает поддерживать длительность импульса постоянной. С другой стороны, важной функцией является обеспечение запуска импульсов прямого направления одним фронтом входного сигнала и обратного направления – другим фронтом этого сигнала (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Эта осциллограмма демонстрирует поведение схемы, когда вал энкодера немного перемещается по часовой стрелке и против часовой стрелки. Канал 1 (желтый) отображает Канал А схемы (U1, вывод 4). Канал 2 (синий) соответствует Каналу B схемы (вывод 13). Канал 3 (розовый) – выход «Прямое направление» (вывод 6). Канал 4 (зеленый) – выход «Обратное направление» (вывод 10).

Вот почему одна и та же механическая позиция, или один и тот же край щели кодового диска создают, например, положительный фронт в прямом направлении и отрицательный фронт в обратном направлении. Таким образом, если для запуска схемы используется один и тот же электрический фронт, результатом будет гистерезис в изменении направления одного отверстия энкодера, который обычно составляет половину номинального разрешения энкодера (Рисунок 3). Это может создать проблемы с точностью, которые обостряются еще больше, если энкодер механически дрожит (вибрирует) вблизи фронта импульса.

Рисунок 3.	Эта основанная на D-триггере схема может стать причиной неточностей в точке изменения направления, особенно, когда энкодер механически дрожит (вибрирует) вблизи фронта импульса.

При определении длительности выходного импульса одновибраторов разработчик должен проявлять осторожность. Если используются микросхемы счетчиков средней степени интеграции, такие как ’193, будет достаточно 200 нс, но иногда подсчет прямых и обратных сигналов ведется с помощью входа прерываний микропроцессора. Это требует, чтобы длительность импульса была, по крайней мере, не меньше максимального времени реакции микроконтроллера на прерывание.

Во многих случаях это могут быть длительности импульса в несколько десятков микросекунд, как в схеме на Рисунке 1, где ширина импульса t_PLS ≈ 50 мкс. Если длительность импульса известна, максимальная скорость определяется выражением:

Таким образом, максимальная скорость или частота энкодера в этом примере составляет примерно 5 кГц (Рисунок 4). При перегрузке по частоте схема не перестанет работать совсем, но выше максимальной частоты длительность выходного импульса будет уменьшенной до расстояния от запускающего фронта (Канал A) до спадающего фронта (Канал B).

Рисунок 4.	Эта осциллограмма показывает отклик схемы, когда скорость вращения вала энкодера близка к максимальной. Назначение каналов такое же, как на Рисунке 2.

Это приводит к возможному упрощению схемы на Рисунке 1. Если исключить резисторы R1 и R2, выходной импульс всегда будет существовать на отрезке времени от запускающего фронта Канала A до спадающего фронта Канала B (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Резисторы R1 и R2 в схеме определителя направления можно удалить, при этом отклик схемы изменится незначительно. Опять же, назначение каналов такое же, как на Рисунке 2.

Материалы по теме