一种多解析度输出增量光电编码器和芯片和码盘

摘要

一种多解析度输出增量光电编码器和芯片和码盘，通过复合光传感相位阵列和零位信号传感阵列，能够集成多种解析度分辨力，达到了一个确定的芯片就可实现用户可选编码分辨力的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及光电编码器芯片技术，特别是一种多解析度输出增量光电编码器和芯片和码盘，通过复合光传感相位阵列和零位信号传感阵列，能够集成多种解析度分辨力，达到了一个确定的芯片就可实现用户可选编码分辨力的技术效果。

背景技术

目前，随着我国自动化程度的快速发展，对于直线位移和角度位移的测量需求已经遍布生活和工作中的各个领域，而光电编码器正是直线位移和角度位移测量的核心产品。光电编码器，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，这是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光源、光码盘和光敏元件组成。光学码盘实际上是一个刻有规则透光和不透光线条的圆盘，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经整形后，变为脉冲信号，每转一圈，输出一组脉冲。根据脉冲的变化，可以精确测量和控制设备位移量。在实际的生产生活中，针对不同的应用需求，光电编码器的线性需求种类繁多，低要求的有1圈50线的应用场景，到高需求一圈1万线的需求应用，整体的分辨力需求跨度很大。为了满足多种多样性的需求，需要配备多种光电编码器。每一种对应需求的光电编码器都包含一个符合需求的光电编码器芯片，对应光电编码器芯片线性需求的码盘，这就无形中增加了生产制造的成本和结构设计的难度，极大的限制了高效率的产品生产和检测。这对光电编码器的生产厂家及光电编码器的应用厂家来说都是一个非常麻烦的事情。本发明人认为，减少生产过程中由于多样性需求引起的限制生产及降低设计结构的复杂性，能够形成生产厂的核心技术和提高产品核心竞争力。有鉴于此，本发明人完成了本发明。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种多解析度输出增量光电编码器和芯片和码盘，通过复合光传感相位阵列和零位信号传感阵列，能够集成多种解析度分辨力，达到了一个确定的芯片就可实现用户可选编码分辨力的技术效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种多解析度输出增量光电编码器，其特征在于，包括光电编码器芯片和与其相适配的光信号调制码盘，所述光电编码器芯片包括复合光传感相位阵列和零位信号传感阵列，所述复合光传感相位阵列通过第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块连接倍频及分频处理模块，所述零位信号传感阵列通过第二跨阻放大器和回滞比较器组合模块连接逻辑处理及选择模块，所述逻辑处理及选择模块分别连接所述倍频及分频处理模块和信号输出端，所述光信号调制码盘上设置有若干条光栅轨道以适配所述复合光传感相位阵列。

所述复合光传感相位阵列包括第一分辨率光电二极管阵列和第二分辨率光电二极管阵列，所述光信号调制码盘上设置有第一光栅轨道及其第一零位信号轨道，和第二光栅轨道及其第二零位信号轨道，所述零位信号传感阵列包括第一光栅轨道零位信号传感器和第二光栅轨道零位信号传感器。

所述复合光传感相位阵列包括第三分辨率光电二极管阵列，所述光信号调制码盘上设置有第三光栅轨道及其第三零位信号轨道，所述零位信号传感阵列包括第三光栅轨道零位信号传感器。

所述光信号调制码盘为圆盘结构，每一条光栅轨道上的光栅区透光线沿圆周均布，所述光栅区透光线的数量为其所属光栅轨道的本征分辨率线数，所述本征分辨率线数使得与其对应的分辨率光电二极管阵列产生传输到第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块的本征信号，所述本征信号能够在所述倍频及分频处理模块中进行倍频或分频。

所述倍频及分频处理模块能够对所述本征信号进行1/2,1/4,×2，×4的信号处理以形成多解析度的可选编码分辨率规格。

所述光信号调制码盘上自外而内依次分布第一光栅轨道、第二光栅轨道、第三光栅轨道、第三零位信号轨道、第二零位信号轨道和第一零位信号轨道。

所述第一光栅轨道上的光栅区透光线的数量＜所述第二光栅轨道上的光栅区透光线的数量＜所述第三光栅轨道上的光栅区透光线的数量。

一种多解析度输出增量光电编码器芯片，其特征在于，包括复合光传感相位阵列和零位信号传感阵列，所述复合光传感相位阵列通过第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块连接倍频及分频处理模块，所述零位信号传感阵列通过第二跨阻放大器和回滞比较器组合模块连接逻辑处理及选择模块，所述逻辑处理及选择模块分别连接所述倍频及分频处理模块和信号输出端。

所述复合光传感相位阵列包括第一分辨率光电二极管阵列，第二分辨率光电二极管阵列，和第三分辨率光电二极管阵列，所述零位信号传感阵列包括第一光栅轨道零位信号传感器，第二光栅轨道零位信号传感器，和第三光栅轨道零位信号传感器。

一种光信号调制码盘，其特征在于，包括第一光栅轨道及其第一零位信号轨道，第二光栅轨道及其第二零位信号轨道，和第三光栅轨道及其第三零位信号轨道，所述光信号调制码盘为圆盘结构，每一条光栅轨道上的光栅区透光线沿圆周均布，所述光栅区透光线的数量为其所属光栅轨道的本征分辨率线数。

本发明的技术效果如下：本发明一种多解析度输出增量光电编码器和芯片和码盘，基于一种复合光传感相位阵结构，该结构在单芯片上集成了多达十余种常用的圆周线性解析度的应用需求，芯片的相位光传感阵列为2～3个独立的相位阵轨道窗口，通过芯片选择输入端，用二进制数字编码信号选择需求的每圆周转动可输出的编码数字脉冲数，达到了一个确定的芯片就可实现用户可选的编码分辨力。

本发明具有以下特点：1.本发明采用一种复合相位阵结构，集成了多达十余种常用的圆周线性解析度的应用需求，解决在芯片应用设计当中因为种类繁多增加的生产制造的成本和结构设计的难度，极大的提高了产品生产和检测效率。2.本发明采用的数字逻辑选择方式简化了应用过程中繁琐的设计结构，每一组选中的分辨力需求的信号唯一对应一组逻辑输出，方便对光电编码器的结构设计和检测方案设计。3.本发明信号差分倍频及时钟分频处理方式，此时根据预设的设计状态(设定的解析度需求)，信号处理电路选择相对应的处理，包括预设的倍频处理，及预设的分频处理。同时保证倍频或者分频信号仍然保持正交的状态输出。4.本发明采用的Z信号处理方式，输出信号对应的零位信号拥有独立的光信号传感通道，根据预设的输出信号状态特征，通过数字逻辑选择输出正确的零位信号信息。

附图说明

图1是实施本发明一种多解析度输出增量光电编码器的芯片电路结构示意图。

图2是与图1的芯片电路相适配的光信号调制码盘结构示意图。图2为圆周码盘的局部放大示意图。

附图标记列示如下：1-复合光传感相位阵列；2-零位信号传感阵列；3-跨阻放大器和回滞比较器组合模块(回滞比较器又称滞回比较器或施密特触发器Schmidt trigger或迟滞比较器，跨阻放大器TIA，trans-impedance amplifier，将低电平光电二极管电流信号转换为电压信号)；4-倍频及分频处理模块(例如，将100Hz倍频至200Hz或倍频至400Hz或分频至50Hz或分频至25Hz)；5-逻辑处理及选择模块；6-信号输出端；11-第一分辨率光电二极管阵列；12-第二分辨率光电二极管阵列；13-第三分辨率光电二极管阵列；21-第一光栅轨道零位信号传感器；22-第二光栅轨道零位信号传感器；23-第三光栅轨道零位信号传感器；111-第一光栅轨道(第一光栅区)；121-第二光栅轨道(第二光栅区)；131-第三光栅轨道(第三光栅区)；211-第一零位信号轨道；221-第二零位信号轨道；231-第三零位信号轨道；M-第一分辨率；N-第二分辨率；P-第三分辨率；Z-零位信号；M-Z-第一零位信号；N-Z-第二零位信号；P-Z-第三零位信号。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种多解析度输出增量光电编码器的芯片电路结构示意图。图2是与图1的芯片电路相适配的光信号调制码盘结构示意图。图2为圆周码盘的局部放大示意图。参考图1至图2所示，一种多解析度输出增量光电编码器，包括光电编码器芯片和与其相适配的光信号调制码盘，所述光电编码器芯片包括复合光传感相位阵列1和零位信号传感阵列2，所述复合光传感相位阵列1通过第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块3(图1上部中间，居上为跨阻放大器，居下为回滞比较器)连接倍频及分频处理模块4，所述零位信号传感阵列2通过第二跨阻放大器和回滞比较器组合模块3(图1下部中间，居上为跨阻放大器，居下为回滞比较器)连接逻辑处理及选择模块5(又称逻辑控制及选择处理模块)，所述逻辑处理及选择模块5分别连接所述倍频及分频处理模块4和信号输出端6，所述光信号调制码盘上设置有若干条光栅轨道以适配所述复合光传感相位阵列1。所述复合光传感相位阵列1包括第一分辨率光电二极管阵列11和第二分辨率光电二极管阵列12，所述光信号调制码盘上设置有第一光栅轨道111及其第一零位信号轨道211，和第二光栅轨道121及其第二零位信号轨道221，所述零位信号传感阵列2包括第一光栅轨道零位信号传感器21和第二光栅轨道零位信号传感器22。所述复合光传感相位阵列1包括第三分辨率光电二极管阵列13，所述光信号调制码盘上设置有第三光栅轨道131及其第三零位信号轨道231，所述零位信号传感阵列2包括第三光栅轨道零位信号传感器23。

所述光信号调制码盘为圆盘结构，每一条光栅轨道上的光栅区透光线沿圆周均布，所述光栅区透光线的数量为其所属光栅轨道的本征分辨率线数，所述本征分辨率线数使得与其对应的分辨率光电二极管阵列产生传输到第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块3的本征信号，所述本征信号能够在所述倍频及分频处理模块4中进行倍频或分频。所述倍频及分频处理模块4能够对所述本征信号进行1/2,1/4,×2，×4的信号处理以形成多解析度的可选编码分辨率规格。所述光信号调制码盘上自外而内依次分布第一光栅轨道111、第二光栅轨道121、第三光栅轨道131、第三零位信号轨道231、第二零位信号轨道221和第一零位信号轨道211。所述第一光栅轨道111上的光栅区透光线的数量＜所述第二光栅轨道121上的光栅区透光线的数量＜所述第三光栅轨道131上的光栅区透光线的数量。

一种多解析度输出增量光电编码器芯片，包括复合光传感相位阵列1和零位信号传感阵列2，所述复合光传感相位阵列1通过第一跨阻放大器和回滞比较器组合模块3连接倍频及分频处理模块4，所述零位信号传感阵列2通过第二跨阻放大器和回滞比较器组合模块3连接逻辑处理及选择模块5，所述逻辑处理及选择模块5分别连接所述倍频及分频处理模块4和信号输出端6。所述复合光传感相位阵列1包括第一分辨率光电二极管阵列11(其分辨率为M)，第二分辨率光电二极管阵列(其分辨率为N)，和第三分辨率光电二极管阵列(其分辨率为P)，所述零位信号传感阵列包括第一光栅轨道零位信号传感器21(M-Z，分辨率M的零位信号Z)，第二光栅轨道零位信号传感器(N-Z，分辨率N的零位信号Z)，和第三光栅轨道零位信号传感器(P-Z，分辨率P的零位信号Z)。

一种光信号调制码盘，包括第一光栅轨道111及其第一零位信号轨道211，第二光栅轨道121及其第二零位信号轨道221，和第三光栅轨道131及其第三零位信号轨道231，所述光信号调制码盘为圆盘结构，每一条光栅轨道上的光栅区透光线沿圆周均布，所述光栅区透光线的数量为其所属光栅轨道的本征分辨率线数。

本发明针对现有产品存在的单一性的缺陷，提供了一种复合相位阵列结构，有2～3个独立的相位阵轨道窗口，可以在同一款光电编码器芯片配合其配对的光学码盘能够满足大多数的分辨力需求的方案，这种方案一方面提高了光电编码器生产厂家要应对多种解析度需求所需要投入的生产及检测成本，另外一方面减少了光电编码器应用厂家的设计难度和测试难度。解决了面对分辨力需求繁多的情况下厂家需要投入的配合难度。本发明还提供了一种数字选择工作状态的方式。通过芯片选择输入端，用二进制数字编码选择需求的每圆周转动可输出的编码数字脉冲数。设置及操作简单，可以更灵活的满足不同的解析度产品需求的应用。本发明还提供了一种灵活的信号处理方法，融合了倍频及分频的数字处理，对本征信号进行1/2,1/4,×2，×4的信号处理，配合对应的差分放大器，用户可在该芯片众多的分辨力规格中选择适合自己的应用条件。本发明还提供了一种零位信号的判别方法。为了解决零位信号的独立性及相关性。一种情况下，三组独立相位阵对应三组独立的零位信号，信道之间互不干扰，通过输入选择端口来选择需要的精度输出内容。

一种具备多种解析度，可编程输出的增量光电编码器芯片设计方案。芯片设计基于一种复合光传感相位阵结构，该结构在单芯片上集成了多达十余种常用的圆周线性解析度的应用需求，芯片的相位光传感阵列为2～3个独立的相位阵轨道窗口，通过芯片选择输入端，用二进制数字编码信号选择需求的每圆周转动可输出的编码数字脉冲数。达到了一个确定的芯片就可实现用户可选的编码分辨力。其特征在于包括，传感器部分包括2至3组独立的相位阵信号传感单元，2至3组独立的零位信号传感单元；信号处理部分包括，电流传感放大器电路及比较器电路、信号差分倍频及时钟分频处理电路、信号输出逻辑关系选择电路、内部测试调试电路。特征在于，编码器芯片和码盘是一对一的使用，信号放大器的布局使得配对通道匹配非常出色，从而消除了信号校准的需要。

复合相位阵传感单元接收到经过对应圆周码盘调制的光信号后，经过内部跨组放大器单元转化为电压信号，该电压信号经过具有徊差的精密电压比较器生成数字信号。同时数字信号经过差分推挽驱动器输出光电编码器的应用信号A、B、Z三路信号。其中A、B信号为相位阵传感器输出信号，Z为对应输出的零位信号。通过所诉的信号经过差分倍频及时钟分频处理电路后在经过输出逻辑关系选择电路，通过数字逻辑选择输出对应的解析度信号输出及对应的零位信号输出。

复合相位阵传感单元接收到由光学码盘调制过的光信号后，此时得到的为本征信号，本征信号是一组正交的A、B信号，根据信号AB的状态可以判断光电编码器的工作状态，此时根据预设的设计状态(设定的解析度需求)，信号处理电路选择相对应的处理，包括预设的倍频处理，及预设的分频处理。同时保证倍频或者分频信号仍然保持正交的状态输出。

复合相位阵由2到3个传感单元组成，每一组传感单元对应着一组独有的本征信号及其对应的处理信号(经过倍频和分频处理过的信号)和一组与之输出信号对应的零位信号。并且零位信号的特征满足输出信号对应的相位及脉冲宽度逻辑关系。与输出信号对应的零位信号拥有独立的光信号传感通道，根据预设的输出信号状态特征，通过数字逻辑选择输出正确的零位信号信息。

复合相位阵由2到3个传感单元组成，与对应传感单元相对应的零位信号特测部分在同一个探测通道。根据复合相位阵列分辨率的不同，对应的零位关系相位与脉冲宽度也不同，根据预设的输出信号状态特征，通过信号特征识别出相对应的零位信号。

本发明的特点包括：1.该编码器芯片设计基于一种复合光传感相位阵结构，该结构在单芯片上集成了多达十余种常用的圆周线性分辨力的应用需求，芯片的相位光传感阵列为2～3个独立的相位阵轨道窗口，通过芯片选择输入端，用二进制数字编码信号选择需求的每圆周转动可输出的编码数字脉冲数。达到了一个确定的芯片就可实现用户可选的编码分辨力。配置两组输入选择端口来选择不同光栅区和插值倍率。可选择3个不同的光栅区；每个光栅区又可选择5种不同的分辨倍率，可组合成15种分辨线数方案。2.编码器芯片融合了倍频及分频的数字处理，对本征信号进行1/2,1/4,×2，×4的信号处理，配合对应的差分放大器，用户可在该芯片众多的分辨力规格中选择适合自己的应用条件。3.编码器芯片和码盘是一对一的使用，信号放大器的布局使得配对通道匹配非常出色，从而消除了信号校准的需要。4.光电编码器的零位信号的独立性及相关性。三组独立相位阵对应三组独立的零位信号，信道之间互不干扰，通过输入选择端口来选择需要的零位信号相关输出内容，包括相位信息及信号宽度信息。5.零位信号不仅可以分别在三条码道上，也可以在同一条码道上，三组零位信号特征分别对应相应的主码道，三组零位信号的传感元面积与相位关系不同，通过信号特征选取，可以识别出对应码道的零位信号，特征在于精准的信号特征选取。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。