课程设计 光电编码器判别电路和12位计数电路设计.doc

学号： 课程设计（说明书）（ 届）题 目 光电编码器判别电路和12位计数电路设计 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 二 年 月光电编码器判别电路和12位计数电路设计摘 要：整流电路是AD-DC电能转换电路，将交流电压转变为单项脉冲电压。其中的整流元件（二极管或晶闸管）所以能整流，是因为它们具有单向导电的共同特性。在增量式光电编码器的使用中，其旋转方向的判别式首先要解决的。根据增量式光电编码器的A、B两相脉冲信号，可以使用单片机采集I/O电平信号并依据其先后顺序使用软件判别旋转方向，也可以采用硬件电路通过两相信号顺序判别旋转方向。利用方向判别电路和4位二进制可逆计数器可以组成增量式光电编码器计数电路。光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时，光电编码器便会发出 A、B 两路相位差 90 度的数字脉冲信号。正转时 A 超前 B90 度，反转时 B 超前 A90 度。脉冲的个数与位移量成比例关系，因此通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。关键词：光电编码器；判别电路；计数电路；预置电路；整流电路目 录摘要····························································································目录····························································································引言····························································································任务书························································································1 总体设计方案········································································12控制电源电路设计·································································22.1 元件选择················································································22.2 电路原理················································································43 判别电路················································································53.1 元件选择················································································53.2 电路原理················································································104 12位计数电路········································································114.1 元件选择················································································114.2 电路原理················································································145 预置电路················································································156 电路原理图及PCB印刷电路··············································167 小结体会················································································18参考文献························································································19附录A···························································································20引 言光电编码器，是一种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的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。 常见的光电编码器由光栅盘，发光元件和光敏元件组成。光栅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，输出一个脉冲。根据脉冲的变化，可以精确测量和控制设备位移量。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。常州大学机械工程学院 机电一体化 课程设计任务和计划书 专业班级 机制082（机电）设计时间 2012.1.2-2012.1.20 指导教师 俞竹青 一、设计题目和参数设计人员：1-10号设计题目：光电编码器判别电路和12位计数电路设计设计参数：a. 光电编码器输出信号A, /A, B, /B； b. 计数器采用三个4位双时钟加减计数器（74LS193）级联构成； c. 12位计数器上电后初始计数值为H800；d. 方向判别电路输出正反转双时钟信号；e. AC220V交流电源供电的直流电源电路。二、要求完成的设计任务设计题目光电编码器判别电路和12位计数电路设计设计要求如下：a. 画出电路原理图； b. 画出电路印刷电路图； c. 编写设计说明书； d. 根据计算确定所有选用电子元件的型号；e. 答辩时出示设计电路中所选电子元件实物；f. 列出所购电子元件的型号、销售商和价格。三、设计时间安排第一周：电路原理图设计和计算；第二周：电路印刷电路图设计；第三周：说明书编写，答辩。成绩评定说明： 1、 成绩评定主要参考依据：出勤和设计态度、说明书和图纸质量、答辩情况等。2、 指导教师根据设计题目和任务的具体情况，制定出各部分所占总成绩的比例，并在课程设计开始时向学生公布。说明书和图纸质量50分，平时出勤、设计态度及答辩情况50分，满分100分。1 总体方案设计 图1.1 总体设计图利用电源控制电路，将220V交流电源转化为光电编码器判别电路和12位计数电路可用的直流电源。采用硬件电路通过两相信号顺序判别旋转方向，构成方向判别电路。利用双时钟可预置加减计数器74LS193以及电容电阻构成预置电路，预置数为800H。利用方向判别电路和4位二进制可逆计数器可以组成增量式光电编码器计数电路。2 控制电源电路设计2.1 元件选择2.1.1 变压器此电路为一个光电编码器判别电路和一个十二位计数电路供电。主要原理是根据负载的大小来确定变压器。查表得74ls193最大承受电流34mA，74ls04最大承受电流6.6mA，74ls00最大承受电流8mA，74ls74最大承受电流30mA,电源输入电流34*3+6.6+8+30=146.6 mA200mA，各元件Vcc5V，所以W7805输出的电压定为5V，输入电压定位7V，根据U0=1.2U，得到U=7/1.2=5.83V,算出变压器功率P=UI1W，所以取变压器5W。2.1.2 整流桥我们选择的整流桥是KBP005-KBP10。图2.1 整流桥由于变压器功率很小，反向电压足够，正向电流等参数均满足要求。因此选用此整流块符合要求。表2.1整流块各项参数表2.1.3 稳压元件7805由于各元件Vcc都不超过5V，所以取输出电压5V，选择稳压元件7805。概述：7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多 种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保 护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。图2.2 稳压元件各项参数如下表所示：表2.2 稳压元件各项参数表2.1.4 电容整流电路的电容选择C1=1000uf，稳压电路Ci=0.33uf，C0=1uf，计数电路电容为C=1uf。2.2 电路原理图2.3 整流电路原理图220V交流电经过变压器T1变压到7V经单相桥式整流电路整流，再由电容滤波，经过集成稳压器7805稳压后，输出所需直流5V。3 方向判别电路3.1 元件选择3.1.1 74LS7474 为带预置和清除端的两组 D 型触发器，共有 54/7474、54/74H74、54/74S74、54/74LS74 四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下：表3.1 典型值型号fmaxPD5474/747425MHz85mW54H74/74H7443 MHz150mW54S74/74S74110 MHz150mW54LS74/74LS7433 MHz20mW表3.2引出端符号1CP、2CP时钟输入端1D、2D数据输入端1Q、2Q、1Q、2Q输出端CLR1、CLR2直接复位端（低电平有效）PR1、PR2直接置位端（低电平有效）表3.3 极限值电源电压7V输入电压54/7474、54/74H74、54/74S745.5V54/74LS747V工作环境温度54XXX-5512574XXX070存储温度-65150表3.4 功能表图3.1 逻辑图表3.5 推荐工作条件5474/747454H74/74H7454S74/74S7454LS74/74LS74单位最小额定最大最小额定最大最小额定最大最小额定最大电源电压Vcc544.555.54.555.54.555.54.555.5V744.7555.254.7555.254.7555.254.7555.25输入高电平电压VIH2222V输入低电平电VIL540.80.80.80.7V740.80.80.80.8输出高电平电流IOH-400-1000-1000-400µA输出低电平电流IOL541620204mA741620208时钟频率fCLK015035075025MHz脉冲宽度tWCP(H)3015625nsCP(L)3713.57.3PR(L)CLR(L)3025725建立时间tSUD(H)20*10*3*20*nsD(L)20*15*3*20*保持时间tH5*5*2*5*ns*表示以 CP 上升沿为参考表3.6静态特性（TA 为工作环境温度范围）参数测 试 条 件【1】74H74S74LS74单位最小最大最小最大最小最大最小最大VIK输入嵌位电压Vcc=最小Iik=-8mA-1.5VIik=-12mA-1.5Iik=-18mA1.2-1.5VOH输出高电平电压Vc最小VIH=2V，VIL最大IOH最大542.42.42.52.5V742.42.42.72.7VOL输出低电平电压Vcc=最小，VIL最大，VIH=2V,IOL=最大540.40.40.50.4V740.40.40.50.5II最大输入电压Vcc最大D，CP1110.1mA参数测 试 条 件【1】74H74S74LS74单位最小最大最小最大最小最大最小最大VIK输入嵌位电压Vcc=最小Iik=-8mA-1.5VIik=-12mA-1.5Iik=-18mA1.2-1.5VOH输出高电平电压Vc最小VIH=2V，VIL最大IOH最大542.42.42.52.5V742.42.42.72.7VOL输出低电平电压Vcc=最小，VIL最大，VIH=2V,IOL=最大540.40.40.50.4V740.40.40.50.5II最大输入电压Vcc最大D，CP1110.1mA1: 测试条件中的“最小”和“最大”用推荐工作条件中的相应值。表3.7动态特性(TA=25)参数2测 试 条 件74H74S743LS74单位最小最大最小最大最小最大最小最大fmaxVcc=5V,CL=15Pf(H74 为 25Pf) RL=400(H74 和S74 为 280，LS74 为 2K15357525MHztPLHPRQ2520625nstPHLPRQ403013.540tPLHCLRQ2520625nstPHLCLRQ403013.540tPLHCPQ2515925nstPHLCPQ40209402：fmax最大时钟频率，tPLH输出由低到高传输延迟时间，tPHL输出由高到低传输延迟时间3：测tPHL（PRQ，CLRQ），CP(H)时tPHL最大值为 13.5ns，CP(L)时tPHL最大值为 8ns3.1.2 74LS00简要说明：00 为四组 2 输入端与非门（正逻辑），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下：表3.8 典型值型号tPLHtPHLPD5400/740011ns7ns40mW54H00/74H005.9ns6.2ns90mW54S00/74S003ns3ns75mW54LS00/74LS009ns10ns9mW引出端符号：1A4A，1B4B 输入端1Y4Y 输出端图3.2 逻辑图表3.9 极限值电源电压7V输入电压54/7400、54/74H00、54/74S005.5V54/74LS007VAB 间电压除 54/74LS00 外5.5V工作环境温度54XXX-5512574XXX070存储温度-65150表3.10 功能表表3.11 推荐工作条件5400/740054H00/74H0054S00/74S0054LS00/74LS00单 位最小额定最大最小额定最大最小额定最大最小额定最大电 源 电 压Vcc544.555.54.555.54.555.54.555.5V744.7555.254.7555.254.7555.254.7555.25输入高电平电压ViH2222V输入低电平电ViL540.80.80.80.7V740.80.80.80.8输出高电平电流IOH-400-500-1000-400µA输出低电平电流IOL541620204mA741620208表3.12 静态特性（TA 为工作环境温度范围）3.2 电路原理图3.3 判别电路原理图图中用74LS74和74LS00来代替ST288A，类似构成方向判别电路。4 12位计数电路4.1 元件选择4.1.1 集成芯片74LS193193 为 可 预 置的十进制 同步加 / 减 计数器，共 54193/74193，54LS193/74LS193 两种线路结构形式。其主 要电特性的典型值如下：193 的清除端是异步的。当清除端（CLEAR）为高电平 时，不管时钟端（C DOWN、C UP）状态如何，即可完成 清除功能。193 的预置是异步的。当置入控制端（LOAD）为低电 平时，不管时钟（C DOWN、C UP）的状态如何，输出端（QAQD）即可预置成与数据输入端（AD）相一致的 状态。193 的计数是同步的，靠C DOWN、C UP同时加在 4个触发器上而实现。在C DOWN、C UP上升沿作用下QA QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。 当进行加计数或减计数时可分别利用C DOWN或C UP，此 时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（CARRY）输出一个低 电平脉冲，其宽度为 C UP 低电平部分的低电平脉冲；当 计数下溢出时，错位输出端（BORROW）输出一个低电平 脉冲，其宽度为 C DOWN 低电平部分的低电平脉冲。当把 BORROW 和 CARRY 分别连接后一级的 C DOWN、C UP，即可进行级联。表4.1 极限值电源电压7V输入电压54/741935.5V54/74LS1937V工作环境温度54×××-5512574×××070储存温度-65150表4.2推荐工作条件54/7419354/74LS193单位最小额定最大最小额定最大电源电压VCC544.555.54.555.5V744.7555.254.7555.25输入高电平电压ViH22V输入低电平电压ViL540.80.7V740.80.8输出高电平电流IOH-400-400uA输出低电平电流IOL54164mA74168时钟频率 fcp025025MHz脉冲宽度TWC2020ns建立时间 tsetA-D2020nsCLEAR 无效40保持时间 tH05ns图4.1 逻辑图图4.24.2 电路原理图4.3 计数电路原理图5 预置电路5.1 电路原理图5.1 预置电路原理图6 电路原理图及PCB印刷电路6.1 电路原理图图6.1 电路原理图6.2 PCB印刷电路图图6.2 PCB印刷电路图7 小结体会经过三周的机电一体化课程设计，我们巩固了机电一体化系统设计这门课的课堂所学知识，对增量式光电编码器判别电路和12位计数电路设计有了更深的了解和掌握。这次课程设计，还让我们学习并且熟悉了Protel 99 SE软件的部分运用，学会了画原理图以及印刷电路图，让我受益匪浅。这次课程设计让我们更加体会到了团队合作精神的重要性，让我们在碰到难题的情况下能够在老师的指导下通过大家的讨论，集思广益想出好办法。参 考 文 献1俞竹青，金卫东. 机电一体化系统设计M北京：电子工业出版社，2011.2秦曾煌，蒋三勇.电工学电子技术M北京：高等教育出版社，2010.3清源科技. Protel 99 SE 电路原理图与PCB设计及仿真M北京：机械工业出版社,2011.附 录 A表附A.1 电子元器件型号、销售商、价格型号价格（元）销售商整流桥KBP 101常州市双乐电子经营部变压器9电容1uf*3电容0.33uf电阻300正电容1000uf 16V单排接口3稳压器7805274ls00174ls74174ls04174ls193*32*3