论文总字数：13513字

摘 要

阶跃电压是目前研究的热点方向，一个矩形的脉冲信号可以看作是由两个阶跃电压叠加而成，因此，阶跃电压被广泛地应用在各种电路的脉冲波形信号分析中，是一种非常重要的波形分析方法。采用阶跃电压的方法还实现了对交流电机电气参数的静态检测。然而，在工控系统中，阶跃电压使得电容在充放电过程中伴随着能量的损耗，可能造成器件的损坏。

在国家电力系统中，电网电压的波动现象经常发生，而这种现象在为井下作业供电的系统中表现的非常危险。为了保证井下工作人员的安全以及设备的安稳运行，矿井用的电压源必须满足检测要求，而现在常用的检测装置准确性偏低。为此本文介绍了一种以旋转编码器为控制端，以逻辑门、运算放大器等电子元器件为主电路实现电压阶跃的装置，对矿井电源电压的检测以及波形的分析具有十分重要的意义。

关键词：旋转编码器 阶跃电压 电子元器

ABSTRACT

Step voltage is a hot research direction at present. The pulse signal of a rectangle can be seen as a superposition of two step voltages. Therefore, step voltage is widely used in pulse waveform signal analysis of various circuits and is a very important waveform analysis method.The step voltage method is also used to realize the static detection of the electrical parameters of the ac motor.However, in the industrial control system, the step voltage makes the capacitor lose energy during charging and discharging, which may cause the device damage.

In the national power system, fluctuations in grid voltage occur frequently, which can be very dangerous in systems that provide power for underground operations.In order to ensure the safety of underground workers and the safe operation of equipment, the voltage source used in the mine must meet the detection requirements, but the accuracy of the commonly used detection devices is low.For this reason, this paper introduces a kind of device that USES the rotary encoder as the control end, logic gate, operational amplifier and other electronic components as the main circuit to realize voltage step, which is of great significance to the detection of mine power supply voltage and the analysis of waveform.

KEYWORDS: Rotary encoder, Step voltage, Electronic components

目 录

第一章 绪论 1

1.1. 课题研究的背景和意义 1

1.2. 课题研究的主要内容 1

1.3. 旋转编码器简介 2

第二章 旋转编码器的相关信息 3

2.1. 旋转编码器的分类 3

2.2. 旋转编码器的结构及工作原理 3

第三章 电路的设计思路，相关元器件的选材 6

3.1. 电路设计思路 6

3.2. 电子元器件选材与误差分析 8

3.3. CD4011与非门 9

3.3.1. CD4011引脚图 9

3.3.2. CD4011真值表 9

3.3.3. 工作原理 10

3.4. CD4053模拟开关 10

3.4.1. CD4053引脚图 11

3.4.2. CD4053引脚功能表 11

3.4.3. CD4053真值表 12

3.5. CA3140运算放大器 13

3.5.1. CA3140引脚图 13

3.5.2. CA3140引脚功能表 13

第四章 实验具体操作步骤，实验数据 15

4.1. 旋转编码器接线 15

4.2. CD4011与非门接线及各脚输出信号分析 16

4.3. CD4053模拟开关接线及开关闭合情况分析 16

4.4. CA3140运算放大器接线及输出波形分析 16

4.5. OUTPUT端输出波形随编码器旋转变化情况分析 17

4.6. 波形记录与分析 18

4.7. 电路板焊接 19

第五章 输出电压阶跃幅度与理论计算结果对比、结论 21

致谢 24

绪论

课题研究的背景和意义

旋转编码器是一种可以将物理量转换成数字信号的装置。旋转编码器是编码器中测量位置信息的一种，可实现对旋转方向、角度和速度等多种物理量的测量。随着现代信息科学技术的飞速发展，旋转编码器被广泛地应用在许多需要精确的旋转位置和速度信息的工控场合，如伺服控制系统、机器人领域、国防装备、电梯和机床行业以及军工、细分领域，另外，在日常的生活中也有许多的应用，包括教育办公、快递运输、工业生产、卫生医疗乃至家用电器设施，在现代的工业生产上和生活中起着十分重要的作用。与其他类型的传感器相比，旋转编码器以其简单的结构形式、较小占用空间、很高的分辨率和精度以及较强的抗干扰能力等优势被认为是一种比较理想的传感器。

阶跃电压在工业生产中也有着许多的应用，如信号波形的检测，电源电压的检测以及用阶跃电压法计算产生寿命等。然而，阶跃电压在工业生产中也存在着许多的安全隐患、器件损耗等问题。比如，在煤矿勘探行业中，工作人员需要下到几百米甚至几千米的深井下作业，周围环绕着可燃气体，在这工样的环境下工作，阶跃电压将随时可能引起火灾，甚至是爆炸，危及人的生命。

当代社会正朝着科学、文明、安全、多元的方向发展。技术革命的到来，让世界进入了一个信息新时代，通讯、计算机和传感器成为信息时代的三大支柱。当代社会的快速发展，高新技术已经渗透到国民经济的各个领域，对于国家的发展来说，既是机遇也是挑战，我们既要抓住机遇，也要面对挑战。传感器技术的发展能推动经济的发展、社会的进步，相信在不久的将来传感器的应用会有一个质的飞跃。

课题研究的主要内容

本课题要研究的方向就是将旋转编码器绕中心轴旋转输出两个存在90度相位差的正弦电压信号，通过以电子元器件组成的主电路，输出可以阶跃的电压，旋转编码器一般的输出方式有三种：电压、脉冲和编码，而电压以交流电压的方式输出，常用到的三个参数：相位、频率和幅值。阶跃的幅度可由旋转编码器的旋转量和具体电子元器件的参数来控制。阶跃电压在工业的生产中有利有弊，通过用旋转编码器来直接或间接地控制电压的阶跃，可降低生产中的隐患和不必要的损失，由此看来，本课题研究的问题意义十分重大。

旋转编码器简介

光电旋转编码器的发展历史伴随着计量光栅技术的发展，以计量光栅为核心的光电旋转编码器也飞速发展起来，1874年，英国物理学家瑞利最先提出采用移动莫尔条纹来测量光栅的相对位移，从而为计量光栅的迅速发展夯实了理论基础[1]。自此国外科学家又进行了近百年的研究，在光电子技术方面有了很大的进步，人们已经普遍的认可光电编码器在精密位移测量方面的地位，而且其应用也得到推广。到了90年代中后期，我国也开始对计量光栅进行研究，其中中国科学院长春光机所最先开始光电编码器的研发项目，与此同时，国内其他科研单位也开始了相关项目的研发，编码器的应用在国内也逐渐发展起来。

编码器是本课题要用到的一个重要的电子元器件，而提到编码器，首先我们要了解传感器的概念，编码器可类比成传感器。它是将接收到的信息转换成另一种可处理的信号的检测装置，以达到信息的传递、储存等要求。这种由接收到的信息转换而来的物理量可能是电信号，也可能是其他所需形式的信息，而现代控制系统中最常用的信息输出就是电信号。所以说，传感器就好比是‘眼睛’，是一种信息的收集反馈装置。它所输出的信号可以分为模拟型和数字型两种，模拟型信号是将转换而来的物理量用电信号的大小变化来模拟，而数字型信号是用电压或电流高于某个域值或低于某个域值代表1或0的数字来传递信息。旋转编码器是用来测量旋转角度、线位移及旋转速的装置，它可以将实际的机械物理量信息转换成电压或电流等电信息，通过处理输出的信息，可以检测装置的速度、位置等信息。本课题要用到的光电式旋转编码器，可将输入轴的转速转换成相应的电信号输出，经过主电路的电子元器件，最后以电压的形式输出。现在旋转编码器的应用不断普及，广泛地应用于生活、生产、运输、航天、军事等各个方面。

旋转编码器的相关信息

旋转编码器的分类

编码器种类繁多，不同的行业用户对编码器的参数、规格要求各不相同。旋转编码器的分类根据检测原理，旋转编码器主要分为光电式、磁电式、和电容式。因实际应用中以光电式居多，所以我们这里选用的旋转编码器是光电式的。按编码器的测量方式来分类，可分为直线型编码器、角度编码器和旋转编码器，如按编码器码盘不同的刻孔方式分类，有增量型编码器和绝对型编码器[2]。增量型编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关[3]。编码器输出的信号类型也是不尽相同，如果按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出[4]。旋转编码器是本课题研究要用到的核心元器件，而编码器的种类多种多样，测量方式和工作原理也各有不同，因此能够准确的选取该课题所需的旋转编码器，并达到研究的目的也是一项十分重要的前期准备工作。

旋转编码器的结构及工作原理

典型的增量式光电旋转编码器由码盘、检测光栅、光电转换电路(包括光源、光敏器件、信号转换电路)、机械部件等组成，如图2-1所示，码盘和光栅板上刻有透光缝隙，当码盘随被测转轴旋转时，检测光栅不动，每转过一个缝隙，光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件上，光电管会感受到一次光线的明暗变化，并将光线的明暗变化转变成近似于正弦波的电信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号[5]。

图2-1 旋转编码器的内部结构

增量式旋转编码器一般有三组信号A相、B相、Z相输出，在检测光栅上刻两组透光缝隙，彼此错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号(A相、B相)在相位上相差90°，此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光缝隙，码盘每转一圈产生一个脉冲(Z相)，该脉冲信号称为零标志脉冲，作为测量基准[5]。

当编码器随被测轴顺(逆)时针转时，A相、B相、Z相输出的信号如图2-2、2-3所示,编码器旋转一圈输出A相或B相脉冲的个数，主要由码盘上的透光缝隙决定[5]。

图2-2 编码器顺时针旋转输出信号

图2-3 编码器逆时针旋转输出信号

由图2-2、2-3可知，顺时针转时A相超前B相90°，反转时A相超前B相90°，因此可根据A相、B相信号的相位关系测出被测轴的转动方向,另外根据A相或B相脉冲的数目可测出被测轴的角位移，脉冲的频率可测出被测轴的转速,Z相在编码器每转一圈时会产生一个脉冲，可作为被测轴的定位基准信号，也可用来测量被测轴的旋转圈数计数信号[5]。

电路的设计思路，相关元器件的选材

电路设计思路

用旋转编码器来控制电压的阶跃，首先想到的是用一个振荡器进行实验，这样需要精确控制变容二极管电压的增量。明显的选择是用一个缓冲电位器，并且串联两个电位器提供粗调/精调控制，这将提供控制改变该变容二极管上的电压。然而，这种方法仍不能允许实验可多次重复的产生控制电压规格一致的增量和减量。这样就需要一个解决方案，将提供所需精度与电压增量大小灵活的结合在一起。

图3-1 电路图

本课题设计采用便宜的可轻而易举控制的元件，电压的增量可由用户自定义。使用一个便宜的旋转编码器用于控制输出电压，编码器的单步用来精确增减电压，像一个传统电位器一样，提供简单的升/降控制。图3-1示出了旋转编码器用精确定义步调控制一个梯形波形输出的电路。增量旋转编码器的输出由两个正交信号A、B组成(即两信号相位相差90度)，每轴旋转产生一个特定量的脉冲，每个脉冲与旋转的增量有关。旋转编码器的输出波形A、B相位相差90度，哪个信号上升沿领先由旋转编码器的旋转方向决定，当它顺时针旋转时，信号A的上升沿领先信号B的上升沿四分之一周期，相反地，当它逆时针旋转时，信号B的上升沿领先信号 A 的上升沿四分之一周期。旋转编码器内部有两个开关连接到一个公共端上，这个端子通常与地相连，由于旋转编码器的工作电压与电路其他芯片的工作电压不一致，所以需要将旋转编码器的电源正端单独接 12V的电压，电路图中未示出，在实际电路板焊接过程中应当注意。

编码器的两个信号A、B输出端分别连接到上拉电阻R1、R2上，R3/C1 和 R4/C2 提供接触去抖动，与非门IC1a和IC1b在输出端3脚、4脚产生方波信号。C3、R6可实现一个传统的数字微分器或单稳态，产生一个窄的负向脉冲，其宽度取决于C3、R6的时间常数。这个脉冲发生在4号脚输出信号的上升沿，并通过6号脚INH端输入启动模拟开关IC2。每当这个输入变高，模拟开关完全开路并且没有电流通过积分器电阻R7流动。当这个输入脉冲变低时，该开关闭合，且 R7 瞬间连接到正电源轨或地上，这取决于编码器的旋转方向。假如编码器顺时针旋转，当 INH脚被触发启动模拟开关时，3脚信号输出高电平输入11脚控制端，将R7 与地相连，将离散电荷充进 C4，通过一步大小增加输出。对于逆时针旋转，这个过程反过来。在这种方式中，编码器的每下旋转将电荷移进或放出 电容C4，由通过R7 的短暂脉冲电流所决定。如上所述，每个电荷包由C4和运算放大器IC3集成。

为了了解这部分如何工作，假定 C4 初期没有充电，在运算放大器的同相输入上，由R8和R9设置的电压等于 VS/2(本例Vs为 5V)，围绕该运算放大器的闭合环路反馈，将以相同的电平维持其反相输入。这就意味着 R7 的右边端子总是位于 VS/2。当模拟开关闭合时，R7 的左边端子与 0V 或 VS 相连。忽略运算放大器偏置电流和模拟开关电阻，进入积分器的电流脉冲幅度由( VS/2)/R7 给定。例如，用 5V 的电源和100kΩ的电阻R7 ，脉冲幅度将为 25μA。假如编码器按顺时针方向旋转，在 IC1c 的脉冲输出期间信号变低，将 R7 与 0V 相连，且 C4 中的电荷下沉。因此，为了维持总体平衡，将反相输出保持在 VS/2，运算放大器必须将电荷转储进 C4，产生输出电压的单一增量。另一方面，假如编码器逆时针旋转，信号变高，导致 R7 与 VS 相连并且向 C4 提供电荷。因此，运算放大器从 C4 中吸取电荷，产生输出电压的单一减量。结果输出形成一个梯形的均等幅度阶跃，这个阶跃向上或向下移动取决于编码器的旋转方向。该阶跃

幅度由 INH输入上的脉冲宽度和由R7和C4决定。现在，从第一个原理我们知道:I=dQ/dt 且 C=dQ/dV。重新调整并简化这些等式，允许我们决定输出阶跃的幅度:dV=(Ixdt)/C，其中 I 为通过 R7 的电流脉冲幅度，dt 为 IClc 脉冲输出的间隔，且 C 为 C4 的值。如果用固定值的 C3 和 R6，dt 将为一个常数，并且假如 VS 保持不变，I 的值将只由 R7 决定(假定模拟开关导通电阻微不足道)。因此，输出dV 可由R7和C4的值改变到所需的阶跃幅度。

电子元器件选材与误差分析

该电路以中轨电压给输出提供电源，输出电压趋于随时间漂移。电压漂移能由 dV/dt=I/C4 进行估算，其中I为总的泄漏电流。漏电流由运算放大器在反相输入端的偏置电流加上模拟开关的断开状态漏电流组成。很明显，该电压漂移，可以通过挑选大容量的 C4 和通过保持尽可能低的漏电流来最小化。CD4053 模拟开关的断开状态漏电流，在室温下通常大约为 50pA，尽管对于某些类型它可能有100nA 高。这可能通过用一个改进的型号，例如 MAX4053A 代换标准的 4053 来得到最小化，在 25℃下其具有的最小漏电流正好是 100pA。它也具有比标准的 4053 更低的闭合状态电阻。电压漂移在极端的输出电压范围趋于恶化，在这里 C4 两端的电压最大。在用一个传统的 4053 和一个 LMC6081CMOS 运算放大器建立的测试电路中，平均漂移为每秒 6.8μV。对于给定的电源电压，输出电压范围受所用的运算放大器类型控制。如果你需要输出从 OV 到 VS 摆动，就需要一个具有轨对轨输出能力的运算放大器。CA3140是一个好的选择，尽管 LMC6081 提供最好保证的输出摆动，这两种器件具有极低的输入偏置电流。注意:运算放大器不需要具有轨对轨输入能力，因为两个输入在所有时间保持在中轨电压上。尽管集成电路具有固有噪声抑制度，仔细布局且去耦，对防止数字噪声耦合进入输出信号中，仍是必不可少的。R8 和 R9 的电阻值大小应该实现对电压值的平均分压，来保证输出端电压阶跃的幅度相等。

CD4011与非门

CD4011引脚图

CD4011真值表

逻辑表达式：Y=(A·B)'

工作原理

CD4053模拟开关

CD4053是一种由数字信号控制的模拟多路开关,它既可以传输数字信号,又可以传输模拟信号,而且信号能够双向传输,同时还允许模拟信号在全电源电压范围内变化，CD4053具有低导通阻抗和低的截止漏电流[6]。CD4053是由三个2通道组成的数字信号控制的模拟电子开关，其中有三个独立的数字控制输入端A、B、C和一个禁止输入端INH[7]。当INH输入端＝“1”时，所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选[8]。

CD4053引脚图

CD4053引脚功能表

CD4053真值表

CA3140运算放大器

CA3140引脚图

CA3140引脚功能表

实验具体操作步骤，实验数据

旋转编码器接线

本课题选用型号为A40S-6-400-2-N-12的旋转编码器，具体实物如图4-1所示

控制端是一个中心旋转轴，在整个电路中控制最后输出电压的阶跃。外接5根输入输出导线，分别为白色线接电源 、黑色线接地、红色线输出A脉冲、绿色线输出B脉冲，另一根屏蔽线在本实验中用不到。

按实验设计要求，先将其白线外接12V电压源正极，黑线接地。输出端红色线和绿色线分别接上拉电阻R1和R2，阻值都是30kΩ，电阻另一端直接接高电平。

图4-1 旋转编码器实物图

CD4011与非门接线及各脚输出信号分析

在上述上拉电阻之前分别引出A、B脉冲信号，由于考虑到电子器件对电路的影响，要在两脉冲接入CD4011之前分别接入R3/C1和R4/C2，提供接触去抖动，电阻R3和R4均是100KΩ，电容C1和C2都为1nF，电阻串联接入，电容并联接地。将去抖动之后的A、B脉冲分别接接CD4011的2、6脚，1、5、8脚接高电平。3脚输出端接CD4053模拟开关控制端11脚，4脚先后串联C3、R5，C3电容值1nF,R5阻值100Ω，后接9脚。在R5与9脚之间并联接入R6/二极管1N4148，电阻与二极管并联，另一端接地，阻值100KΩ。将输出端10脚接CD4053模拟开关禁止端6脚。

IC1b输入端5脚接高电平，6脚由编码器旋转方向决定，4脚输出电平高低由旋转编码器的旋转状态决定。C3、R6组合可实现一个传统的数字微分电路，产生一个窄的负向脉冲，其宽度取决于微分电路的时间常数。这个脉冲发生在信号B的上升沿由9脚输入IC1c，再由10脚输入到CD4053模拟开关6脚。IC1a的输入端1脚接高电平，2脚输入由旋转编码器旋转方向决定，所以3脚输出的数字脉冲信号有可能是‘0’，也有可能是‘1’。

CD4053模拟开关接线及开关闭合情况分析

CD4053模拟开关12脚接高电平，13脚接地，6脚和11脚是输入端，脉冲信号由CD4011输入，输出端14脚串联阻值100KΩ的R7，再接CA3140运算放大器反向输入端。

6脚为INH禁止端，当输入数字信号为‘0’时启动模拟开关IC2,。当CD4011输出端10脚输出数字信号‘0’时，CD4053被启动。输入端11脚信号由CD4011与非门3脚提供，当输入信号‘1’时，14脚与13脚闭合，R7与0V地相连；当输入信号‘0’时，14脚与12脚闭合，R7与 Vs高电平相连。

CA3140运算放大器接线及输出波形分析

高低电平之间串联接入两电阻R8、R9，两电阻阻值均为1MΩ，R9两端并联一个电容器C5，起滤波作用，电容值1nF。两阻值相等电阻分压，将中间段 Vs/2处接CA3140运算放大器同相输入端3脚，2脚6脚之间接入电容C4，考虑到上文提到的误差问题，选取电容值100nF的较大电容C4。运算放大器7脚接 5V，4脚接-5V，6脚输出端接示波器。

考虑到各个电子元器件工作电压的问题，将旋转编码器白色线单独接 12V电压，黑色线接地。主电路所述高电平均接 5V电压，低电平接地，CA3140运算放大器4脚接-5V电压。

运算放大器同相输入端输入 Vs/2电压，模拟开关14脚不管与哪一端闭合，运算放大器两输入端电压值总是相差Vs/2的绝对值。所以，当运算放大器2脚电压值高于3脚电压值时，为了维持总体平衡，运算放大器从C4中吸取电荷，6脚产生输出电压的单一减量；反过来，运算放大器必须将电荷转储存到C4，6脚产生输出电压的单一增量。结果输出一个等幅度的梯形电压阶跃，阶跃的方向取决于编码器的旋转方向。

OUTPUT端输出波形随编码器旋转变化情况分析

首先要明确，CD4053开关模拟器启动由禁止端6脚控制，当6脚输入信号‘0’时，模拟开关启动工作。由CD4011与非门逻辑关系推导可知，当旋转编码器输出B信号由高电平向低电平变化时，10脚输出‘0’信号，触发禁止端6脚，启动CD4053模拟开关工作。由此可知，OUTPUT输出端输出电压阶跃发生在B信号的下降沿，阶跃方向由编码器旋转方向决定。

当旋转编码器按顺时针方向旋转时，信号A的上升沿领先信号B的上升沿四分之一周期，模拟开关被启动时，信号A处于低电平，11脚接收到信号‘1’，14脚与13脚闭合，OUTPUT端输出电压向上阶跃；

当旋转编码器按逆时针方向旋转时，信号B的上升沿领先信号A的上升沿四分之一周期，模拟开关被启动时，信号A处于高电平，11脚接收到信号‘0’，14脚与12脚闭合，OUTPUT端输出电压向下阶跃。

波形记录与分析

将实际电路按电路图焊接完成后，接通电源，分别顺时针、逆时针旋转旋转编码器得到波形图如图所示，阶跃方向与理论分析结果一致。

1. 图4-2示出了编码器分别向顺时针方向旋转和逆时针方向旋转所建立的输出波形。
2. 图4-3示出了个体增量的输出波形。

图4-2旋转旋转编码器输出的波形

图4-3 个体增量的输出波形

电路板焊接

图4-4、4-5示出了电路板的实际焊接情况

图4-4 电路板正面图

图4-5 电路板反面图

输出电压阶跃幅度与理论计算结果对比、结论

理论上，当我们选择C3和R6使 dt=100μS，且 C4=100nF时，用 100kΩ的 R7，产生脉冲电流 I=25μA,我们发现阶跃大小dV为25mV。在一个测试电路中，使用 C3=1nF 且R6=100kΩ(提供的 dt≈100μS)，实际上的阶跃大小测试为 24.7mV，与理论计算结果相差很小，可忽略不计。

最终得出结论，由旋转编码器为控制端，CD4011与非门、CD4053模拟开关、CA3140运算放大器以及电阻、电容和二极管组成的主电路实现了对输出端电压阶跃的直接控制。并且经过对比测试电路中输出波形的阶跃幅度与理论计算结果，发现两者在数值上相差很小，可忽略不计。上文第三章电路设计部分也提到电路存在的误差问题，微小的误差是不可避免。从课题研究的方向来看，最终实现了阶跃电压的控制，顺利完成课题内容，希望本课题研究的内容与方向能在编码器的应用方面提供一定的帮助与意见。我相信，不管是编码器还是传感器的研究在未来的应用中一定会越来越有价值。

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