摘要：為提高正余弦編碼器的分辨率，提出用硬件細分的方法將512刻線的正余弦編碼器進行信號12倍頻，利用比較器和異或門搭建電路，將輸出信號倍頻12倍，該方法讀數(shù)迅速，能達到動態(tài)測量的要求，而且成本低。詳細分析其工作原理，用Saber軟件進行電路仿真。仿真結(jié)果表明該方法能使512 p／r分辨率的編碼器提高到6 144 p／r，在實際應(yīng)用中得到了驗證。
關(guān)鍵詞：正余弦編碼器；倍頻；分辨率；Saber軟件

0 引言
    隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床，機器人等伺服控制系統(tǒng)的位置檢測。目前常用的是高分辨率的光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦編碼器。與其他系統(tǒng)相比，在提高動態(tài)特性方面，正余弦編碼器有獨特的優(yōu)勢。正余弦編碼器輸出正余弦波形的A通道和B通道反饋，通過硬件或者軟件方法求其相應(yīng)的角度。為了進一步提高分辨率，通常采用電子學(xué)細分，來提高信號的重復(fù)頻率。電子學(xué)細分有軟件細分和硬件細分，軟件細分采用高速單片機，DSP、FPGA高速數(shù)字處理器件，結(jié)合細分算法實現(xiàn)。硬件細分有電阻鏈細分、空間細分、鎖相倍頻。也有軟件和硬件方法結(jié)合使用。采用軟件細分方法時，編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速波動會影響其細分精度，系統(tǒng)的實時性達不到要求。基于以上問題，本文采用一種結(jié)構(gòu)簡單并易于實現(xiàn)的硬件細分方法，將512刻線的正余弦編碼器的分辨率提高到6 144 p／r，并且轉(zhuǎn)換速率快，細分精度不受編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速波動影響，成本低容易實現(xiàn)。

1 細分原理
    如圖1所示，在理想情況下，正余弦編碼器旋轉(zhuǎn)一周期輸出兩相正交的電壓信號(A相和B相)。

    上述A，B相電壓信號可以表示為：
    UA=Usinθ      (1)
    UB=Usin(θ+π／2)     (2)
    式中：U為正余弦編碼器輸出電壓信號幅值；θ為電壓信號相位角。
    其細分原理是選擇式(1)，式(2)中θp對應(yīng)的Up作為輸出計數(shù)脈沖的電壓參考點，當輸入信號的幅值U≥Up時，則輸出計數(shù)脈沖。當選擇不同的參考電壓時，編碼器轉(zhuǎn)過一定的角度并輸出固定的脈沖，將正余弦信號細分。
    其設(shè)計思想是：編碼器正余弦信號經(jīng)過電壓比較器，當U≥Up時，電壓比較器輸出1，當U<Up時，電壓比較器輸出0。每經(jīng)過一個Up，比較器便輸出一個計數(shù)脈沖。選擇p個不同的參考電壓，比較器便輸出p個不同的計數(shù)脈沖。由這p個計數(shù)脈沖便輸出一個p倍頻后的信號。本文要將信號細分12倍，則需要比較器輸出12個不同的計數(shù)脈沖，其方法是將2π分為12等份：
   
    選擇偏置電壓是因為比較器的真實電壓并不能達到5 V，當選擇供電電源為9 V時，信號輸入電壓也要偏置4．5 V才能取得良好的倍頻結(jié)果。使用Saber電路仿真軟件進行電路仿真，最后得到經(jīng)過12倍頻后的信號Ap和Bp，如圖2～圖4所示。

2 電路邏輯分析
    在電路仿真圖中，用邏輯分析儀觀察比較器輸出的波形，正余弦細分電路中比較器的邏輯波形如圖5和圖6所示。

    經(jīng)過異或門后輸出12倍頻的計數(shù)脈沖[12XA]和[12XB]的邏輯表達式為：
   
    參考比較器波形圖和電路原理圖可知，信號經(jīng)過異或門后，每一周期輸出等分的12個脈沖，實現(xiàn)了12倍頻，其倍頻數(shù)與比較器個數(shù)一致。

3 結(jié)果分析
    搭建好硬件電路后，用示波器顯示，其波形如圖7所示。

    由圖7可以看出一個周期輸出了12個脈沖，達到了將信號12細分的目的。對比軟件細分方法，在動態(tài)輸入條件下，該硬件細分方法有效提高了細分精度。軟件細分方法通常需要A／D采樣和角度計算。由于輸入信號的頻率不穩(wěn)定會導(dǎo)致A／D采樣中丟失部分輸入信號，或者A／D轉(zhuǎn)換器來不及轉(zhuǎn)換，使得數(shù)據(jù)得不到及時處理，影響編碼器輸出精度，也限制了編碼器的響應(yīng)速率。而采用該硬件細分方法可以有效解決上述問題。使用比較器來實現(xiàn)信號倍頻，低倍頻時是一種很好的方案，結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，但是高倍頻時，需要使用的比較器個數(shù)增多，而且比較器還存在滯后問題，這在實際應(yīng)用中是要注意的。圖8～圖10是正余弦編碼器6倍頻，10倍頻，12倍頻對比圖。

4 電路原理圖
    用6片比較器LM339和5片異或門7486來搭建電路，實驗用的電路板如圖11所示。

    該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實現(xiàn)。由結(jié)果分析可知，隨著倍頻倍數(shù)的增加，比較器的滯后性越發(fā)明顯，因此不能為了追求高倍頻而無限制地使用比較器。

5 結(jié)論
    用該硬件細分方法實現(xiàn)的信號細分，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，讀數(shù)迅速，能達到動態(tài)測量的要求。雖然隨著倍頻倍數(shù)的增加，比較器的滯后性會越明顯，但是在低倍頻時，還是一種比較好的方案，在提高正余弦編碼器方面比較實用，該方法通過仿真調(diào)試和實驗，驗證了該方案是可行的。