正交編碼器解碼器電路設計論文

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1基于Multisim12的正交編碼器與解碼器的電路設計與仿真

基于Multisim12的正交編碼與解碼器的設計與仿真的整體設計，其中主要包括正交編碼器與正交解碼器兩大部分。正交編碼器部分主要包括積分電路、過零比較電路、換向開關等，其主要功能是形成兩路相位差為90°的穩定方波信號。正交解碼器部分主要包括倍頻電路、上下行計數器等，其主要功能是判斷信號，并根據信號反映出電機的轉速、轉向等工作狀態。

1.1信號源模塊

輸入信號的頻率與產生輸入信號的電機的轉速正相關。因此，為更好地模擬出正交編碼的過程，本文采用RC正弦波振蕩器，設計的50Hz正弦波振蕩器。

1.2過零比較電路模塊

在進行交流信號的移相后，對兩路信號進行過零比較，從而得到直流電壓信號，過零比較模塊。其輸出的即為穩定的方波信號，且兩路信號相位差仍穩定為1.4倍頻電路模塊在實際應用中往往為了追求更高的精度而把返回的信號頻率進行4倍頻。具體設計的倍頻電路模塊。在本仿真設計中，選用了比較典型的D觸發器74LS74。為了模擬正交編碼器在測量過程中正轉與反轉方向判斷，設計中采用兩個單刀雙擲開關用于切換方向。當開關處于不同的狀態時，編碼器部分會顯示出不同的方向，從而解碼器部分的計數器就會顯示出不同的計數狀態（遞增計數或遞減計數）。因此，計數器的狀態與開關狀態保持一致，由計數器狀態反映出正交編碼器所編碼的電機信號，進而判斷電機的轉向。

1.3計數器電路模塊

為了實現正向和方向的計數模式，設計中選擇了可上下行計數的計數器74LS190。將74LS190的進位輸出接到下一級計數器的使能端上，即構成了一個100進制的計數器。其中74LS190控制方向的信號線由編碼器1.4倍頻電路模塊在實際應用中往往為了追求更高的精度而把返回的信號頻率進行4倍頻。具體設計的倍頻電路模塊。在本仿真設計中，選用了比較典型的D觸發器74LS74。為了模擬正交編碼器在測量過程中正轉與反轉方向判斷，設計中采用兩個單刀雙擲開關用于切換方向。當開關處于不同的狀態時，編碼器部分會顯示出不同的方向，從而解碼器部分的計數器就會顯示出不同的計數狀態（遞增計數或遞減計數）。因此，計數器的狀態與開關狀態保持一致，由計數器狀態反映出正交編碼器所編碼的電機信號，進而判斷電機的轉向。

1.4計數器電路模塊

為了實現正向和方向的計數模式，設計中選擇了可上下行計數的計數器74LS190。將74LS190的進位輸出接到下一級計數器的使能端上，即構成了一個100進制的計數器。其中74LS190控制方向的信號線由編碼器部分信號處理電路給出，從而決定計數方式是遞增或遞減。

1.5整體電路

將上述各模塊進行連接，并以數碼管顯示，即為模擬正交編碼器與解碼器的設計電路圖。

1.6擴展部分

在正交編碼與解碼器的基本電路的基礎上，為了進一步提高仿真電路的實用性與完整性，更好的將輸入信號中包含的速度信息反映出來，本文為正交編碼與解碼系統設計了直流穩壓電源模塊、無穩態觸發器模塊與乘法器模塊等三部分。這三個模塊可以配合正交編碼與解碼系統，保證系統更穩定、更持久的工作，同時解讀出輸入信號中包含的更多信息。

（1）直流穩壓電源模塊。在設計過程中，大部分芯片的供電均為5V直流電。為實現設計的可行性與實用性，可利用5V直流電壓穩壓模塊給系統供電。首先，利用變壓器對220V通用交流電進行降壓處理。然后，對直流電進行整流、濾波處理，運用模擬電路知識設計了一個電橋整流。在整流電橋后接入一系列電容，同時配合使用穩5V芯片LM7805[6]。

（2）無穩態觸發器模塊。多諧振蕩器是利用深度正反饋，通過阻容耦合使兩個電子器件交替導通與截止，從而自激產生方波輸出的振蕩器，常用作方波發生器[7]。多諧振蕩器又稱無穩態觸發器（AstableOperation），它沒有穩定的輸出狀態，只有兩個暫穩態。在電路處于某一暫穩態后，經過一段時間可以自行觸發翻轉到另一暫穩態，兩個暫穩態自行相互轉換而輸出一系列矩形波。在本設計中，采用555定時器產生矩形波脈沖信號，用于提供芯片時鐘信號。

（3）乘法器模塊。為了計算出輸入信號所包含的速度信息，本設計拓展了一個乘法器模塊，具體組成是通過使用5個移位寄存器74LS194實現二進制數的逐位相乘，每次相乘的結果均由74LS283芯片進行移位加和，從而得出二進制數相乘的結果。由于四位二進制數表示的最大值為十進制的15，所以，乘法所得結果[8]最大為225。速度值與輸入信號的頻率成正比，在編碼器編碼過程中，信號的頻率不變，而計數器數值遞增或遞減速度與變換后的信號頻率成正比。因此，只需將計數器的變化速率與系統固有的系數值相乘，即可得到電機的轉速。計數器變化速率可以用極短時間內（如幾秒）數值的變化量近似代替。

2結語

本文以Multisim12為平臺，模擬設計了編碼與解碼電機運動編碼與解碼器。仿真計數結果表明，本設計可以較好地展示出電機的轉向以及轉動快慢。此外，由于采用了倍頻電路，計數精度較高，從而為提高精確測量與控制提供了保證。

作者:王玲陳遠超單位:北京科技大學