旋转编码器的抗抖动计数电路

    摘要：旋转编码器应用于角度定位或测量时，由于旋转轴的晃动可能引起编码器输出波形的，从而引发误计数现象。介绍了一个抗抖动计数电路，滤除了旋转编码器因抖动而造成的误计数。

    关键词：旋转编码器 抗抖动电路 数字电路

旋转编码器应用于角度定位或测量时，通常有A、B、Z三相输出。旋转编码器的输出波形见图1。A相和B相输出占空比为50%的方波。编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲（如100个脉冲）。当编码器正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当编码器反向旋转时，B相比A相超前四分之一个周期。A相和B相输出方波的相位差为90°。编码器每转一周，Z相输出一个脉冲。由于编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，则A相或B相每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。当Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。

问题出在伺服系统停止工作时，若无锁定，则旋转轴受外力（如风力影响）可能自由晃动，因而引起编码器输出波形抖动，如图2所示，从而引起误计数。在这种情况下，就不能对波形进行正确计数。虽然可以通过软件设置标志状态，用记录历史状态的变化来滤除误计数，但是程序耗费颇大。因此，本人设计了一个抗抖动计数电路。它能够自动消除抖动造成的误计数。

1 抗抖动计数电路原理图

图3是抗抖动计数电路原理图。此电路滤除了旋转编码器输出波形的抖动现象。该电路分为四个部分：译码电路U4A；互锁电路U5A、U5B；正旋计数链J1、J3、J5和反旋计数链J2、J4、J6。U4A为二四译码器，U5A、U5B为与门，J1～J6为D触发器。正旋计数链负责对编码器正向旋转的计数，反旋计数链负责对编码器反向旋转的计数。

2 抗抖动计数电路工作分析

图4为二四译码器输出的波形。译码器产生d、a、b、c四种不同的状态。在图3中当B=0、A=0时，译码器Q0输出为d状态，d状态为高电平。当B=0、A=1时，译码器Q1输入为a状态,a状态为高电平。当B=1、A=1时，译码器Q2输出为b状态，b状态为高电平。B状态不影响计数和方向确定，在图3电路中没有使用。当B=1、A=0时，译码器Q3输出为c状态，c状态为高电平。

当旋转编码器正向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、a、b、c、d、a、b、c……。如图4所示。当B=0、A=0时，进入d状态，与门U5A的Pin2=a=0(Pin是管脚的意思)，于是U5A的输出Pin3=0。D触发器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0.与门U5B的Pin5=c=0，于是U5B的输出Pin4=0。D触发器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。这时J1、J2的Q端都为1，与门U5的Pin1=Pin6=1,U5A和U5B都处于等待开门状态。当进入状态a时，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。由于c=0，所以J2的Q端仍为1，U5A的Pin1=1，U5A的输出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，正旋标志送到了J3的D端。时J1的Q端关闭了U5B。在下一个d出现之前，所有的c脉冲都不会改变J2的状态。这就说，J1、J3、J5组成的正旋计数链被打开，J2、J4、J6组成的反旋计数链被阻断。U5A、U5B、J1、J2完成互锁的功能。在进入状态a时，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0.在进入状态c前，J3的R=a=0、S=0、D=1，J3处于待触发状态。J3的CLK=c，当c脉冲上升沿过后，D=1被打入J3的Q端，正旋标志送到了J5的D端。在进入状态d前，J5的R=a=0、S=0，J5处于待触发状态。J5的CLK=d，当d脉冲上升沿过后，D=1被打入J5的Q端，正旋标志送到了正旋计数输出端。正旋计数输出端由低电平变为高电平。到此为止，完成了一次正旋计数。当由状态d进入状态a时，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋计数输出端由高电平变为低电平。由此可知，当旋转编码器正向旋转时，对应A相 B相的每一个完整周期，正旋计数输出端都会产生相应的一个脉冲。

A的出现抢到了正旋计数权。只有在d重新出现后，脉冲c才可能有机会抢到反旋计数权。从而保证了一旦进入正旋计数状态，不全完成这一过程，就进入不了反旋计数状态。运行时有可能从状态a返回状态d，结果这只不过释放正旋计数权。因这时正旋标志还只在J3输入端上，a出现时已把J3清0。D状态只会把0送给J5的Q端，因此不会产生误计数。

    当旋转编码器反向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、c、b、a、d、c、b、a……。这种情况的分析方法与正向旋转的分析方法相同，这里不再叙述。

这就好比接力赛。在一个只允许上一个人的封闭的环形跑道上依次均匀设d、a、b、c、四个站，立四个裁判员。d点为起止点、出入口，持棒运动员沿环形跑道一站站往下跑。D裁判长的职责是：运行员往a去（顺行），告示：“有人，正向”；往c去（逆行），告示：“有人，反相”。其他裁判员的职责是给到达本站的运动员发签证（计数标志），往回跑，撤销签证。d裁判长的计分规则是：凭其他裁判的签证齐全加牌示，正，加一分，反，减一分，然后撤销签证。签证不齐到d，则不计分，撤销签证。运行员在跑道内来回跑或坐时，d裁判视而不见。

例如在图2中，当从状态d进入状态a时，正旋标志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b都不起作用，只是把J3和J5反复清0.当从状态c进入状态d时，正旋标志到正旋计数输出端，同时J1和J2被清零。在从状态d进入状态c后，反旋标志送到J4的D端。同时，D=0被打入J3的Q端，这时J5的D端为零。在从状态c回到状态d后，反旋计数权被释放。但是，由于J5的D端为零，虽然这里再次出现状态d,该d脉冲不会发生计数，这就是抗抖动。

图5为抗抖动计数电路的输出波形。此电路计数频率可达10MHz。A相和B相输入前应予整形，必要时还要进行电隔离。