【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 矩傳感器放大電路 對(duì)于放大電路，采用了 AD620。與普通的運(yùn)算放大器不同的是， AD620 自身將關(guān)鍵的元器件放置于芯片內(nèi)部，內(nèi)部有兩級(jí)差分放大電路。它作為一種價(jià)格低，功耗低，精度高的儀器儀表放大器，它采用 8 管腳的 SOIC 或 DIP 封裝，由于其尺寸小，公號(hào)低，因而適合于電池 供電以及一些便攜式應(yīng)用場(chǎng)合。 12 圖 22 AD620 典型電路 AD620 放大倍數(shù)的設(shè)置操作十分簡(jiǎn)便，在 1 和 8 引腳接一個(gè)電阻來(lái)控制放大倍數(shù)，運(yùn)放最高可達(dá)一千倍。 AD620 增益公式如下： 1x 21 ??? R RRG 其中， R1 跟 R2 是內(nèi)部增益電阻，大小為 ，運(yùn)放增益為 ： ??? RKG 如若已經(jīng)知道放大倍數(shù)，也可以根據(jù)下式求出相應(yīng)的外接電阻 Rx 的阻值： ? ?? G KRX 13 圖 23 儀用放大電路 如上圖，即為力矩傳感器的放大電路。外接電阻阻值設(shè)置為 100Ω，應(yīng)變式力矩傳感器的信號(hào)輸入 Vf 經(jīng)過(guò) AD620 后信號(hào)放大了 495 倍； 3 引腳接待放大信號(hào)；引腳 4 和 7 接電源，范圍在177。 ～177。 18V 內(nèi)即可；引腳 5 是參考端，將一個(gè)外圍的電壓輸入到 5 號(hào)管腳REF 端作為電壓偏置， Vout=（ Vf+ Vf） G+Vref，確保輸出結(jié)果不失真； 6 是放大后信號(hào)的輸出端。 而在 AD620 的前一段采用 LM358D 構(gòu)成的一個(gè)電壓跟隨器來(lái)提供偏置電壓，利用電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，隔離跟隨器 前后電路之間相互的影響。下為 AD620儀用放大器的仿真情況： 14 圖 24 AD620 電路實(shí)驗(yàn)仿真 實(shí)驗(yàn)仿真中在 1/8 腳跨接 100Ω的電阻來(lái)控制放大增益，根據(jù)上面的公式計(jì)算可得，放大倍數(shù)的理論值應(yīng)該是 495 倍。輸入端輸入一個(gè) 10mV 的待放大信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀用放大器AD620 后，測(cè)得輸出數(shù)據(jù)位 ，仿真的結(jié)果與理論值十分接近。 力矩傳感器濾波電路 由于輸出桿上上輸出的力矩信號(hào)處于低頻段，因此需要對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器可以將一些屬于干擾頻率段的信號(hào)濾除。濾波器有無(wú)源跟有源之分，其中 有源濾波器是由無(wú)源元件和有源元件共同組成濾波電路，一般應(yīng)用于一些工作頻率較低的場(chǎng)合。 常見(jiàn)的有源低通濾波器有三種，分別是巴特沃斯（ Butterworth）濾波器、切比雪夫（ Chebyshev）濾波器和貝塞爾（ Bessel）濾波電路。這里力矩傳感器信號(hào)的濾波電路采用四階巴特沃斯低通濾波器。它是一種簡(jiǎn)單也是最常用的濾波電路，又叫最平幅度濾波電路。這種濾波電路對(duì)幅頻響應(yīng)的要求是：在小于截止頻率 c? 的范圍內(nèi)，具有最平幅的響應(yīng)，而在 c??? 后， upin 響應(yīng)迅速下降 [10]。 因?yàn)橄拗浦懈哳l信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)要求的截止頻率為 20kHz，采用四階有源巴特沃斯低通濾波器。兩個(gè)二階源巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)就可以構(gòu)成四階有源巴特沃斯低通濾波器。首先先設(shè)計(jì)四階有源巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)： 11)s( 22 0212 014 ?????? ????? ?? ss Gss GG （ 1） 為了方便計(jì)算，令參數(shù)符合如下條件： 15 RRRCCCRC?????2121c,21f ? （ 2） 選取 C= F，根據(jù)（ 2）式計(jì)算得 R=788Ω。查表的四階有源巴特沃斯低通濾波器的兩個(gè)阻尼系數(shù)分別為 ξ 1 =，ξ 2 = 。計(jì)算得兩個(gè)零頻增益分別為： 202 101 ????? ????? ??GG （ 3） 此時(shí)，傳遞函數(shù)為： )s( 224 ?????? ????? ssssG （ 4） 第一級(jí)增益為： 1i 1f01 ????? RRG 取 Rf1=， Ri1=20KΩ； 第二級(jí)增益為： 2i 2f02 ????? RRG 取 Rf2=61KΩ， Ri2=。 根據(jù)理論計(jì)算得數(shù)據(jù)實(shí)施仿真： 圖 25 巴特沃斯濾波器電路仿真 ①瞬態(tài)分析： 分別輸入幅值一定，但是頻率不斷增加的三個(gè)信號(hào)，分別觀察分析其仿真結(jié)果。 當(dāng)輸入信號(hào)為 3V， 1kHz 時(shí)， 輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形如下，截取輸入與輸出的某個(gè)瞬態(tài)的波形圖，從圖中可以直觀的看出輸出波形與輸入波形的相位保持一致，瞬態(tài)幅值分別為 16 和 ，計(jì)算得幅值放大了約 倍； 圖 25 輸入 1kHz 信號(hào)瞬態(tài)分析圖 當(dāng)輸入信號(hào)為 3V， 10kHz 時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形如下，輸出信號(hào)幅值衰減，相位發(fā)生偏移； 圖 26 輸入 10kHz 信號(hào)瞬態(tài)分析圖 當(dāng)輸入信號(hào)為 3V， 80kHz 時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，圖中只能看到輸入信號(hào)，而 17 輸出信號(hào)幾乎衰減為 0?？梢缘玫疆?dāng)頻率高于某一設(shè)定的值也就 是截止頻率時(shí)巴特沃斯低通濾波器能有效的將該信號(hào)濾除 圖 27 輸入 80kHz 信號(hào)瞬態(tài)分析圖 ②頻率特性分析： 圖 28 輸入輸出信號(hào)波特圖 通過(guò)仿真電路的的波特儀輸出的結(jié)果來(lái)看，信號(hào)增益由 下降 3dB 至 處時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率極為截止頻率，即 fc≈20kHz，這與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論值吻合。從而，依據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)看， 四階有源巴特沃斯低通濾波器各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定是合理的，可以達(dá)到濾除中高頻信號(hào)的干擾。 18 圖 29 巴特沃斯四階低通濾波器 在實(shí)際的使用過(guò)程中，同時(shí)在輸 出端加 穩(wěn)壓管，保護(hù)主控器內(nèi)置 AD 輸入口防止高壓燒壞。 19 光電編碼器辨向電路 在電機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)在某時(shí)刻所轉(zhuǎn)到的位置以及當(dāng)前的轉(zhuǎn)速是電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)兩個(gè)重要的指標(biāo)，及時(shí)有效地檢測(cè)這兩個(gè)指標(biāo)才能進(jìn)一步對(duì)電機(jī)實(shí)施精確的控制。在手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中采用光電編碼器來(lái)測(cè)量電機(jī)的位置信息。 光電編碼器是一種高精度的數(shù)字化檢測(cè)儀器， 是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的角位移或者角速度的測(cè)量裝置 [11]，它可以通過(guò)光電原理，將一個(gè)機(jī)械裝置的角度或者位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（數(shù)據(jù) 串或者脈沖信號(hào)）。以信號(hào)原理來(lái)分，光電編碼器可分為增量式編碼和絕對(duì)式編碼器這兩種。其中，絕對(duì)式光電編碼器直接輸出數(shù)字信號(hào)，每個(gè)輸出的編碼與不同的角度相對(duì)應(yīng)，但是成本高；增量式光電編碼器輸出信號(hào)不是數(shù)字信號(hào)而是三組脈沖信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)和旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置沒(méi)有關(guān)聯(lián)，僅僅與相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移相關(guān)。使用增量式編碼器時(shí)，首先先假定一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向作為基準(zhǔn)，與光電編碼器相連的輸出軸每次依照這個(gè)基準(zhǔn)方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，光電編碼器輸出端就會(huì)送出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)，微處理器將脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，便可準(zhǔn)確得出增量式光電編碼器實(shí)際沿著這個(gè)設(shè)定方向 旋轉(zhuǎn)的角度。 增量式光電脈沖編碼器由光源、聚光鏡、擋光板、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。 210 光電編碼器結(jié)構(gòu) 在光電碼盤上刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的光柵，光擋板（檢測(cè)光柵）上刻有 A、 B 相兩組與光電碼盤上光柵相對(duì)應(yīng)的透光縫隙。 增量式光電脈沖編碼器工作時(shí)，光電碼盤隨著工作軸旋轉(zhuǎn)，但是光擋板（檢測(cè)光柵）保持不動(dòng)。 有光同時(shí)透過(guò)光電碼盤和檢測(cè)光柵時(shí)，電路中產(chǎn)生邏輯“ 1”信號(hào)，沒(méi)有透光時(shí)產(chǎn)生邏輯“ 0”信號(hào)，從而產(chǎn)生了 A、 B兩相的脈沖信號(hào)。由于檢測(cè)光柵上的 A、 B相兩個(gè)透光縫隙的節(jié)距與光電碼盤上光柵的節(jié)距是一致的，并且這兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)四分之一的節(jié)距，從而使得最終信號(hào)處理輸出的信號(hào)存在 90176。的相位差。一般情況下，光電編碼器直接輸出的脈沖波形實(shí)際上是不規(guī)則的，不是理想的易于數(shù)字信號(hào)處理的方波。對(duì)于輸出不規(guī)整的信號(hào)往往需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的整形，整形電路后的波形輸出近似于矩形波。在對(duì)編碼器 計(jì)數(shù)時(shí)，在微處理器這樣的數(shù)字電路中，只能識(shí)別 0或者 1，方波是易于識(shí)別的，微處理器往往是通過(guò)輸入信號(hào)的上升沿或者下降沿控制的，方波能夠很好地滿足這些要求。 20 圖 211 A、 B 相輸入輸出與編碼器轉(zhuǎn)向關(guān)系圖 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí) AB 兩路脈沖相位差不同。如上圖，在 B 相的上升沿，如果 A相是高電平，則表明電機(jī)正轉(zhuǎn)；在 B 相的上升沿，如果 A 相是低電平，則表明電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)辨向電路就可以輕松地判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。增量式光電編碼器中還有用作參考零位 Z 相標(biāo)志脈沖信號(hào)，每當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。 Z相標(biāo)志脈 沖通常用 做系統(tǒng)坐標(biāo)的原點(diǎn)，或清零信號(hào)，以減少測(cè)量的積累誤差。 良好的光電編碼器的辨向電路十分重要，因?yàn)樗怯绊懴到y(tǒng)控制精確度的關(guān)鍵因素。任何脈沖的丟失或者脈沖輸出錯(cuò)誤都不允許。如果僅僅知道 A、 B相的脈沖輸出信號(hào)，計(jì)算機(jī)無(wú)法識(shí)別輸出桿的位移與方向。辨向電路可以將正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的 AB 相脈沖輸出分離，當(dāng)光電編碼器正轉(zhuǎn)的時(shí)候，只有 A相有脈沖信號(hào)輸出， B 相輸出的脈沖信號(hào)處理為低電平；當(dāng)光電編碼器反轉(zhuǎn)的時(shí)候，只有 B相有脈沖信號(hào)輸出， A 相輸出的脈沖信號(hào)處理為低電平。如此做便可以將 A、 B 相的輸出信號(hào)進(jìn)行解碼分離，從而便于微控 制器能夠通過(guò)外部的引腳觸發(fā)中斷計(jì)數(shù)，從而可以計(jì)算出電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。 光電編碼器的信號(hào)處理分為兩個(gè)部分。第一部分是對(duì)光電編碼器直接輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理。第二部分為光電編碼器解碼分離電路。 光電編碼器的信號(hào)整形電路 施密特觸發(fā)器是一種常用的波形整形電路，波形復(fù)雜的模擬信號(hào)可以通過(guò)施密特觸發(fā)器變?yōu)槔硐氲姆讲ㄐ盘?hào)，方波信號(hào)易于數(shù)字電路處理。施密特觸發(fā)器與普通門電路不同，在施密特觸發(fā)器中，輸入信號(hào)由低到高電平過(guò)程中是的電路狀態(tài)變化的輸入電壓叫正向閾值電壓，反之為負(fù)向閾值電壓。它們的差值叫回差電壓。正向遞增的電壓必須達(dá)到正向閾值電壓，負(fù)向遞減的電壓必須下降到負(fù)向閾值電壓，輸出信號(hào)才能跳變。 圖 212 電壓比較器 圖 213 施密特觸發(fā)器 圖 12 是普通 的電壓比較器，待比較的信號(hào)一旦低于或高出設(shè)定的電壓值，電壓比較器的輸出信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生變化，因此閾值范圍內(nèi)很小的抖動(dòng)或是干擾信號(hào)都會(huì)對(duì)最終的輸出結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。反觀施密特觸發(fā)器，由圖 213 可以直觀的看出僅僅在閾值電壓附近波動(dòng)是無(wú)法引起輸出信號(hào)改變的，施密特觸發(fā)器所具備的指滯回特性，表明施密特觸發(fā)器具備一定的記憶能力，回差電壓的存在，使得施密特觸發(fā)器具有較強(qiáng)的干擾能力。 21 實(shí)際的電路中，我們采用 74HC14D 六反相施密特觸發(fā)器進(jìn)行 A、 B、 Z 三相信號(hào)的整形。 圖 214 光電編碼器信號(hào)處理邏輯電路 解碼分離電路 光電編碼器辨向線路采用 74HC74芯片。 74HC74 是雙路 D+ 型上升沿觸發(fā)器。引腳 D是帶獨(dú)立數(shù)據(jù)輸入端， CP 是時(shí)鐘輸入端， RD 是直接復(fù)位端，是直接置位端， RD 和 SD 都是低電平有效， Q 和 Q 是觸發(fā)器的互補(bǔ)輸出端。 SD RD CP D Q Q L H H L H L L H L L *H *H H H ↑ H H L H H ↑ L L H H H L 0Q 0Q H 代表高電平； L 代表低電平； 0Q 代表輸入條件建立前的 Q 的電平； 0Q 代表輸入條件建立前的 Q 的電平； ↑ 代表電平由低到高的上升沿； 代表任意值； * 代表當(dāng) SD 和 RD 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出不穩(wěn)定。 下面是光電編碼器辨向電路在 Multisim中的電路仿真。 22 圖 215 光電編碼器解碼電路仿真 設(shè)定的輸入信號(hào)為 1kHz，周期 T=1/f=1/1000Hz=。相位差為 90176。，即兩相輸出有一個(gè)延時(shí) 。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)， B 相滯后于 A 相輸出信號(hào)相位 90176。時(shí)，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： 圖 216 A相脈沖參數(shù)設(shè)置 圖 217 B 相脈沖參數(shù)設(shè)置 將 B 相脈沖延時(shí) ，在波形上， A相輸出信號(hào)超出 B 相 90176。 兩相輸入和輸出波形如下： 23 圖 218 A、 B 相輸入 圖 219 A、 B 相輸出 當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)， A相滯后于 B 相輸出信號(hào)相位 90176。時(shí)，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： 24 圖 220 A相脈沖參數(shù)設(shè)置 圖 221 B 相脈沖參數(shù)設(shè)置 兩相輸入和輸出波形如下： 圖 222 A、 B 相輸入 25 圖 223 A、 B 相輸出 通過(guò)上 述方法實(shí)現(xiàn)了 A、 B 兩相信號(hào)的解碼分離。在 Altium D