專利名稱：光學(xué)編碼器中的滯后補償內(nèi)插電路的制作方法
光學(xué)編碼器中的滯后補償內(nèi)插電路技術(shù)領(lǐng)域
本文所述的發(fā)明的各種實施例涉及光學(xué)編碼器的領(lǐng)域，以及與其相關(guān)的組件、裝置、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)編碼器通常在諸如電動機控制系統(tǒng)中的閉環(huán)反饋控制的應(yīng)用中用作動作探測器。舉例來說，許多光學(xué)編碼器被構(gòu)造為將旋轉(zhuǎn)運動或者直線運動轉(zhuǎn)化為雙通道 (two-channel)數(shù)字輸出，以用于位置編碼。
許多光學(xué)編碼器使用LED作為光源。在透射編碼器中，通過位于LED上方的透鏡等機構(gòu)將光準直為平行光束。與發(fā)射器相對的是通常由光電二極管陣列和信號處理器構(gòu)成的光探測器。當碼尺(code scale)(諸如碼盤或碼帶)在光發(fā)射器和光探測器之間移動時， 光束被碼尺上設(shè)置的由條或間隔組成的圖案所中斷。類似地，在反射或成像編碼器中，LED 上方的透鏡將光聚焦到碼尺上。光被反射或者不被反射回布置在光探測器上方的透鏡中。 隨著碼尺移動，與條和間隔相對應(yīng)的明圖案和暗圖案的交替圖案落到光電二極管上。光電二極管探測這些圖案并且由信號處理器處理相應(yīng)的輸出以產(chǎn)生數(shù)字波形。舉例來說，這種編碼器輸出用于提供與電動機的位置、速度和加速度有關(guān)的信息。
典型的反射型光學(xué)編碼器包括光探測器、光發(fā)射器和碼盤或碼尺。探測器通過處理由光探測器中所包括的光電二極管陣列提供的光電流，生成輸出。一般來說，反射型光學(xué)編碼器包括四個光電二極管通道，即A、A\、B和B\，這些光電二極管通道沿雙通道光學(xué)編碼器中的單一碼道(track)布置。光電二極管被布置成使得分隔相鄰光電二極管的間隙足夠大，以防止或抑制這樣的相鄰光電二極管之間產(chǎn)生串擾。在現(xiàn)有技術(shù)中，隨著光學(xué)編碼器的分辨率提高，相鄰光電二極管之間的間距減小，這反過來導(dǎo)致通道之間的串擾增大。
內(nèi)插電路常被用在增量和絕對數(shù)字運動編碼系統(tǒng)中，其中，內(nèi)插電路被構(gòu)造為產(chǎn)生具有數(shù)字脈沖，這些數(shù)字脈沖具有比輸入到電路的基礎(chǔ)正弦模擬信號更高的頻率。因為由這種內(nèi)插電路提供的輸出最終確定編碼系統(tǒng)的精確性，所以隨著電路的內(nèi)插因子的增加，內(nèi)插電路的精確性變得更加關(guān)鍵。不幸的是，由于大部分內(nèi)插電路的架構(gòu)(通常依靠大量的比較器)，由內(nèi)插電路所提供的輸出趨向于具有噪聲并且含有由于比較器中的過多開關(guān)而產(chǎn)生的不期望的噪聲尖峰。因此，用在運動編碼器中的內(nèi)插電路中的比較器通常采用大量的滯后(hysteresis)來提供對于噪聲尖峰的免疫。然而，特別是在高內(nèi)插因子時，滯后本身可能變?yōu)閮?nèi)插電路不精確的來源。
參照圖1，示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)編碼器系統(tǒng)10，其包括光發(fā)射器20 (通常是 LED)、設(shè)有孔31a-31f的碼盤或碼帶30、以及包括光電二極管41a(A)和41b(A\)的光探測器40。在光學(xué)編碼器10中，由光發(fā)射器20發(fā)射的經(jīng)準直的光束22將光投射到碼盤30上。 隨著碼盤或碼帶30沿著第一方向111或第二方向112旋轉(zhuǎn)，經(jīng)準直的光束22由設(shè)置在孔 31a-31f之間的遮蔽性的或光學(xué)不透明的部分間斷(注意，碼盤或碼帶30基本在由經(jīng)準直的光束22在光束22從光發(fā)射器20朝向光探測器40傳播時近似地限定的平面中旋轉(zhuǎn))。隨著碼盤或碼帶30在平面中沿著方向111或112旋轉(zhuǎn)，經(jīng)準直的光束22的部分50a和50b 經(jīng)過孔31c和31d投射，并且掃描過光探測器40和光電二極管41b(A\)和41a(A)。隨著碼盤30沿著方向111或112移動，由光束部分50a和50b投射到光探測器40的第一豎直部分70上的光圖案變化，并且由光電二極管41a和41b提供的輸出信號相應(yīng)地變化。一般采用這些輸出信號來產(chǎn)生一對準三角信號(例如如圖2中所示)，該信號之后被用來確定碼盤 30的位置、速度和方向中的任何一者或多者。
現(xiàn)在參照圖2，示出了 “三角”信號A和A\，使用對于光學(xué)編碼器領(lǐng)域的技術(shù)人員來說公知的電路和方法將它們相互比較并產(chǎn)生脈沖信號109。通常，也設(shè)置另一組光探測器 B和B\，其中光探測器B和B\相對于光探測器A和A\定位為異相90度，并且被用來產(chǎn)生另一個脈沖(在圖2中未示出)。產(chǎn)生彼此異相90度的光探測器A和々\以及的脈沖。如圖2所示，為了隨后的內(nèi)插處理，偽三角信號A和A\最好在其最大與最小部分之間是直線的或直的，但是它們在頂部或底部附近展現(xiàn)出彎曲的部分。這些彎曲的部分是由于不期望的電容效應(yīng)，并且相當大地使得隨后的內(nèi)插嘗試變得復(fù)雜。
在圖1中示出的這種類型的編碼器中，主要根據(jù)終端用戶的具體需要而確定和設(shè)置裝置10的空間分辨率。更具體地，通常根據(jù)給定消費者或終端用戶的特定需要而確定相鄰的光探測器A和々\(分別為41a和41b)之間的距離或間隔。實現(xiàn)這種需求尤其在裝置 10需要不常見的或者新的空間分辨率時需要對于晶片制作付出時間和努力。
在現(xiàn)有技術(shù)中采用的、對由裝置10提供的空間分辨率進行改變或調(diào)整的一種技術(shù)是采用設(shè)置在光發(fā)射器20與光探測器40之間的一個或多個標線(reticle)。圖3示出了一個這樣的布置，其中標線帶60具有設(shè)置在其中的標線61和62。標線61和62被構(gòu)造為與照射到其上的光束發(fā)生干涉，并且對它們進行調(diào)整以使得投射到光探測器40上的光的圖案改變。對標線61和62被具體地構(gòu)造為提供編碼器10所期望的空間分辨率的程度、 量和類型。
圖4示出了常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的單一碼道光學(xué)編碼器10，其具有包括布置成雙通道編碼器的探測器A、A\、B*B\的光電二極管陣列20以及相關(guān)的碼帶30。由探測器(通道A)探測器B和B\ (通道B)生成的信號也被示于圖4，其中通道B輸出與通道A輸出信號滯后90度的信號。(相對簡單的電路被用于生成通道A和B的輸出信號，該電路沒有在圖 4中示出，但是其對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，因此無需在此進行進一步討論。)陣列20中的相鄰光電二極管之間的間隔和每一個光電二極管的寬度根據(jù)光學(xué)編碼器所需的分辨率而被選擇。當提高光學(xué)編碼器10的分辨率時，要么相鄰光電二極管之間的間距w被減小，要么每一個光電二極管沿公共軸15的寬度被減少，或者兩者都被減小，導(dǎo)致光電二極管間距ζ減小，其中，ζ是相鄰光電二極管的前邊緣或后邊緣之間的間距。
注意，在圖4所示的光學(xué)編碼器10中，相鄰光電二極管的前邊緣或后邊緣之間的間距ζ對應(yīng)于在碼尺上的一對相鄰的明暗帶的合計寬度的四分之一。因此，在限定每一個這樣的帶的沿公共軸15的長度的距離內(nèi)，包含兩個光電二極管。還要注意的是，在圖4所示的光學(xué)編碼器10中，沿單個碼道或公共軸15布置的所有光電二極管被以A、A\、B*B\的次序或序列布置。
討論內(nèi)插電路的兩個授權(quán)專利是授予Snyder的、題為“hterpolation Methods and Circuits for Increasing the Resolution of Optical Encoders，，的美國專利No. 6，355，927以及授予Chee的、題為"Interpolator"的美國專利No. 6，816，091，上述專利的全文通過引用被分別并入本文中。
圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)插電路120的框圖。A、A\、B和B\斜坡信號被輸入到信號生成電路140。信號生成電路140將A，A\，A/3，B，B\和B/3斜坡信號提供給比較器電路142。比較器電路142比較Α，Α\，Α/3，B, B\和B/3斜坡信號中的選定的對，并且在線 144上生成一組8個中間信號。中間信號被供應(yīng)到邏輯電路150，所述邏輯電路150組合中間信號，并且生成如下所述的通道A和通道B輸出信號。
圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)的信號生成、比較器和邏輯電路的示意性框圖，所述電路被配置來接收輸出信號A、A\、B和B\，并且從其提供通道A和通道B的輸出。信號生成電路 140包括衰減放大器220和222，其中每一個具有1/3增益。放大器220生成分數(shù)A/3斜坡信號，放大器222生成分數(shù)B/3斜坡信號。如果需要，A、A\、B和B\輸入斜坡信號可以按比例縮放。但是，供應(yīng)到比較器電路142的信號A、A\、B和扒斜坡信號，分數(shù)A/3斜坡信號以及分數(shù)B/3斜坡信號具有圖7所示和如下所述的幅值和相位關(guān)系。
比較器電路142包括比較器240，242，244，246，248，250，252和254。每一個比較器比較選定的一對斜坡信號，并且輸出中間信號。具體地，比較器MO比較斜坡信號，并生成B-B\中間信號。類似地，比較器242輸出間信號；比較器244輸出A\_A 中間信號；比較器246輸出B\-A中間信號；比較器248輸出間信號；比較器250 輸出A\-B/3中間信號；比較器252輸出B/3-A中間信號；以及比較器2M輸出A/3_B中間信號。如下所述，對于理想輸入信號，中間信號在相位上是均勻分布的。
邏輯電路150包括異或(exclusive OR)門270，272，274和276，以及或門280和 282.異或門270接收B-B\*A\-B\中間信號，并且向或門280提供輸出。異或門272接收八\4和扒4中間信號，并且向或門280提供輸出?；蜷T280的輸出是通道B輸出信號。 異或門274接收Α/3-Β\*Α\-Β/3中間信號，并且向或門282提供輸出。異或門276接收B/3-A和A/3-B中間信號，并且向或門282提供輸出?；蜷T282的輸出是通道A輸出信號。
在圖6所示的電路中，電壓放大器被用于生成分數(shù)信號。在信號生成電路140中采用電壓放大器的缺點之一是所生成的分數(shù)信號的范圍受限于所使用的各種電壓放大器的電壓輸出的不同幅值范圍。各種電壓放大器的輸出受限于其具體的電路拓撲和架構(gòu)、所使用的處理技術(shù)以及在操作期間向其提供的電源。此外，用于生成分數(shù)信號的電壓放大器中的反饋電阻器增大了管芯尺寸。對于給定應(yīng)用所需的內(nèi)插因子的數(shù)量越多，需要利用額外的電壓放大器生成的分數(shù)信號的數(shù)量越大。如果電壓放大器沒有正確匹配，內(nèi)插信號的所得精確性可能受到影響。當內(nèi)插編碼器被用于高頻應(yīng)用中時，速度變?yōu)閷τ陔妷悍糯笃鞯闹饕獡摹?br> 此外，由于與各種比較器相關(guān)的不同滯后所導(dǎo)致的處理和延遲誤差，許多運動控制編碼器具有已經(jīng)就頻率、性能和精度而言達到其極限設(shè)計。為了由光學(xué)編碼器提供更高頻率的內(nèi)插輸出并且在沒有適當?shù)男盘栃实那闆r下，編碼器的性能可能嚴重依賴于輸入信號的質(zhì)量以及在內(nèi)插器模塊中的比較器之間的部件-部件之間的差異。而且，比較器的滯后可能根據(jù)輸入信號的頻率的變化而改變，或因為處理失配而改變。在不用昂貴的信號調(diào)節(jié)電路的情況下，失真的輸入信號可能在比較器提供的輸出信號中導(dǎo)致誤差、錯誤和失
需要能夠克服上述問題中的至少一些的內(nèi)插編碼器。 發(fā)明內(nèi)容
在一些實施方式中，提供了一種高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，包括光發(fā)射器，被配置成從其發(fā)射光；多個具有前邊緣和后邊緣的光探測器或光電二極管，其沿單一碼道和公共軸線布置，以形成單一碼道光探測器，所述單一碼道光探測器具有沿著公共軸線布置的多對A和A\數(shù)據(jù)通道的光探測器以及B和B\數(shù)據(jù)通道的光探測器，所述A和B 光探測器和A\和B\光探測器分別被布置來生成相位彼此相差90度的輸出信號，所述A、 A\、B和B\光探測器分別生成第一輸出斜坡信號、第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號；信號生成電路，其至少包括第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，這些放大器被配置成分別接收與A、A\、B和B\光探測器相對應(yīng)的第一輸出斜坡信號、第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號作為對其的輸入，第一放大器被配置來提供完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號，第二放大器被配置來提供完整A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號，第三放大器被配置來提供完整B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號，第四放大器被配置來提供完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號；第一組的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯，這些電阻階梯被配置成分別接收完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號、完整A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號、完整B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號以及完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號，分別作為對其的輸入，第一電阻階梯、第二電阻階梯、 第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的電阻值，使得由每個電阻階梯提供的中間輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率；被配置來接收A 中間輸出信號和分數(shù)A中間輸出信號作為對其的輸入的第一比較器，被配置來接收A\中間輸出信號和分數(shù)々\中間輸出信號作為對其的輸入的第二比較器，被配置來接收B中間輸出信號和分數(shù)B中間輸出信號作為對其的輸入的第三比較器，以及被配置來接收B\中間輸出信號和分數(shù)B\中間輸出信號作為對其的輸入的第四比較器，第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器分別提供中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號；邏輯電路，其被配置來接收電阻階梯輸出信號并基于電阻階梯輸出信號生成通道A輸出方波或脈沖信號和通道B輸出方波或脈沖信號，其中，第一組的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯具有與其相關(guān)的電阻值，使得由每個電阻階梯提供的中間輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率， 從而消除在第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器之間的滯后的差異。
前述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器可以還包括第二組的第一可調(diào)電阻階梯、第二可調(diào)電阻階梯、第三可調(diào)電阻階梯和第四可調(diào)電阻階梯，這些可調(diào)電阻階梯被配置成分別接收中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號作為對其的輸入，并且第二組電阻階梯的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的可調(diào)電阻，這些可調(diào)電阻可分別由向其傳輸?shù)牡谝豢刂菩盘?、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號選擇，使得由每個電阻階梯提供的輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率；或者可以還包括第二組的第一可調(diào)電阻階梯、第二可調(diào)電阻階梯、第三可調(diào)電阻階梯和第四可調(diào)電阻階梯，這些可調(diào)電阻階梯被配置成分別接收中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號作為對其的輸入，并且第二組電阻階梯的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的可修整電阻，所述可修整電阻可分別被選擇，使得由每個電阻階梯提供的輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率。
在其他實施方式中，提供了一種高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，包括光發(fā)射器，被配置成從其發(fā)射光；多個具有前邊緣和后邊緣的光探測器或光電二極管，其沿單一碼道和公共軸線布置，以形成單一碼道光探測器，所述單一碼道光探測器具有沿著公共軸線布置的多對A和A\數(shù)據(jù)通道的光探測器以及B和B\數(shù)據(jù)通道的光探測器，所述A和B 光探測器和A\和B\光探測器分別被布置來生成相位彼此相差90度的輸出信號，A、A\、B 和B\光探測器分別生成第一輸出斜坡信號、第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號；信號生成電路，其至少包括第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，這些放大器被配置成分別接收與A、A\、B和B\光探測器相對應(yīng)的第一輸出斜坡信號、 第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號作為對其的輸入，第一放大器被配置來提供完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號，第二放大器被配置來提供完整 A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號，第三放大器被配置來提供完整B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號，第四放大器被配置來提供完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號；被配置來接收A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號作為對其的輸入的第一比較器， 被配置來接收A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號作為對其的輸入的第二比較器，被配置來接收B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號作為對其的輸入的第三比較器，以及被配置來接收B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號作為對其的輸入的第四比較器，這些比較器中的每一個具有可調(diào)正反饋環(huán)，所述可調(diào)正反饋環(huán)包含多個可選擇性修整或可選擇性開關(guān)的電阻器，第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器分別提供中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號，第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器的可調(diào)正反饋環(huán)被配置成使得第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率；邏輯電路，其被配置來接收第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號，并基于第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號生成通道A輸出方波或脈沖信號和通道B輸出方波或脈沖信號。
在閱讀和理解了本說明書和附圖之后，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，這里公開的更多實施例將會變得更加清楚。


通過以下說明、附圖和權(quán)利要求，可以了解本發(fā)明的各種實施例的不同方面，在附圖中
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)編碼器系統(tǒng)10 ；
圖2示出了 “三角”信號A和A\ ；
圖3示出了具有布置在光發(fā)射器20和光探測器40之間的標線30的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)編碼器10 ；
圖4示出了具有空間分辨率X" /4的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)編碼器10的一個實施方式；
圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的信號生成，比較器和邏輯電路120 ；
圖6示出了另一現(xiàn)有技術(shù)的信號生成，比較器和邏輯電路120 ；
圖7示出了由圖6的電路140生成的輸出信號；
圖8示出了圖7所示的信號的特寫部分；
圖9圖示了用于調(diào)節(jié)和補償不同的正弦輸出信號以具有相同的滯后的一個實施例；
圖10圖示了用于調(diào)節(jié)和補償不同的正弦輸出信號以具有相同的滯后的另一個實施例；
圖11示出了用于調(diào)節(jié)正弦輸出信號以具有相同的滯后的電阻階梯電路的一個實施例；
圖12示出了多個不同的衰減因子被應(yīng)用到其上的正弦輸出信號的一個實施例；
圖13示出了正弦輸出信號A，B和A"和根據(jù)其生成的相應(yīng)的脈沖輸出信號的一個實施例；
圖14示出了用于精細調(diào)整正弦輸出信號的滯后的可開關(guān)和/或可調(diào)電阻階梯電路；
圖15示出了正弦輸出信號B，A/Y和A' /Y與根據(jù)其生成的相應(yīng)的脈沖輸出信號的一個實施例；
圖16示出了比較器電路142和用于生成4X脈沖輸出信號的相應(yīng)邏輯電路150 的一個實施例；
圖17示出了對應(yīng)于圖16的電路142和相應(yīng)邏輯電路150以及根據(jù)本文提出的教導(dǎo)修改的圖5和圖6的電路140的輸出信號的一個實施例；以及
圖18示出了具有可調(diào)正反饋環(huán)的比較器的一個實施例。
附圖不一定按比例。除非另有說明，附圖中相同的附圖標記表示相同的部分或步馬聚ο具體實施方式
在本發(fā)明的各種實施例中，提供了單一碼道反射型光學(xué)編碼器系統(tǒng)、裝置以及方法。
當在本文中使用時，術(shù)語“單一碼道編碼器”意思是具有單一碼尺的光學(xué)編碼器， 該單碼尺具有形成或存在于其上或其中的數(shù)據(jù)或代碼的圖案或條以及形成或存在于其上或其中的索引圖案或條，其中，數(shù)據(jù)圖案和索引圖案在單一碼道中沿著公共的單一軸線一起行進，該單一碼道布置在包括數(shù)據(jù)通道光探測器和索引通道光探測器的相應(yīng)的單一碼道上。
現(xiàn)在參考圖7，其中示出了由圖6的電路140和142生成的輸出信號。圖5中所示的向信號生成電路140的各種輸入包括不同的正弦信號，所述正弦信號在不同的交叉點上彼此交叉，基于此生成內(nèi)插脈沖信號或方波輸出(如上面結(jié)合圖2所述的)。當兩個正弦信號彼此交叉時，比較器被用于生成方波或脈沖信號輸出(例如參見圖2中的信號A，A\和109)。具有與其相關(guān)的特定相應(yīng)滯后的比較器被要求精確處理交叉點(這樣的相交信號的對在此相交)處的這些正弦輸入信號，從而提供精確內(nèi)插的輸出信號。
繼續(xù)參考圖7，其中示出了輸入信號B，A，A/X和A/Y。輸入信號B和A彼此異相90 度。信號A/X和A/Y是信號A的衰減模式，但是具有相同的相位。圖8示出了圖7中的由虛線描繪的部分的放大圖。如圖8所示，信號B與信號A，A/X和A/Y在交叉點1，2和3相交。由圖8中的時間延遲tl，t2和t3表示的可變的和非均一的滯后延遲與利用接收信號 Β,Α,Α/Χ和Α/Υ作為其輸入的比較器生成方波輸出信號相關(guān)。圖8中由時間延遲tl，t2和 t3表示的可變的和非均一的滯后是由如下導(dǎo)致的信號A，A/X和A/Y在各自的交叉點1，2 和3的附近具有不同的各自斜率或互補斜率。在圖8的實例中，如果將通過使得時間延遲 tl, t2和t3全都具有相同的開關(guān)延遲來維持內(nèi)插輸出信號的精度，則時間延遲tl必須具有與其相關(guān)的40mV的比較器滯后值，時間延遲t2必須具有與其相關(guān)的30mV的比較器滯后值，時間延遲t3必須具有與其相關(guān)的20mV的比較器滯后值。為了良好的內(nèi)插性能，tl必須等于t2和t3。在傳統(tǒng)的方法中，并且如上所述，具有不同的與其相關(guān)的滯后值的比較器被要求產(chǎn)生這樣的結(jié)果。
一種解決具有不同的與其相關(guān)的滯后值的比較器的問題的方案被示于圖9和10 中，其中，信號A被輕微地衰減以具有與信號B相同的斜率(信號A')，所得的30mV的滯后值與信號A'和A/X相關(guān)。這樣做不會影響內(nèi)插性能，這是因為延遲t2等于延遲tl。
在一個實施例中并且如圖11中由第一組電阻階梯(resistor ladders)中的一個所示的，圖7，8和9中所示的信號A的衰減因子被計算為(30mV/40mV)，其等于因子0. 75。 圖11中示出了利用電阻階梯312實現(xiàn)這樣的結(jié)果的簡單衰減電路。在一個實施例中，第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯組成的第一組被提供給通道A、A\、中的每一者，所述電阻階梯的與其相關(guān)的電阻值被配置為提供具有在任意給定時間具有基本相同的斜率或互補的斜率的輸出信號。該第一組電阻階梯消除了設(shè)置具有不同的與其相關(guān)的滯后值的第一、第二、第三和第四比較器的需要。圖5和6的邏輯電路150于是被配置來接收第一組電阻階梯輸出信號，并基于由第一組電阻階梯提供的輸出信號生成通道A和通道B輸出方波或脈沖信號。注意，所舉例說明的技術(shù)和電路可適用于所有的內(nèi)插因子范圍，諸如1X、2X、4X以及更大，這取決于內(nèi)插器模塊的限制。
現(xiàn)在參考圖12-15，其中示出了和說明了另一實施例，其除了第一組電阻階梯之外還使用第二組電阻階梯(其中之一-電阻階梯314-被示于圖14)，以實現(xiàn)與上面關(guān)于圖 7-11中所示的實施例所述的相似但有改進的結(jié)果。圖12示出了從圖11的電阻階梯312輸出的輸出信號A，A'，A"禾ΠΑ"‘。圖13示出了信號A，B和A"，以及由比較器基于其生成的方波信號109。在圖13的信號A，B和A"的交叉之間的殘留輕微失配利用圖14的電阻階梯314被校正，所述電阻階梯314例如通過圖14的可修整(trim)或可編程的控制來控制引腳316精細調(diào)整信號A，從而提供最優(yōu)的信號交叉。類似的精細調(diào)整電阻階梯314被設(shè)置用于B和其他信號。
圖15的信號A' /Y(虛線)沒有通過圖14的電阻階梯314進行進行調(diào)整，可以看到所述信號A' /Y相對于時間和與信號B的期望交叉輕微地偏移。參見圖15中的方波信號111的前沿和尾沿，其相對于方波信號109的期望前沿和尾沿發(fā)生偏移。精細調(diào)整電阻階梯314通過精確對準中間輸出信號A/Y校正信號A' /Y的不期望的偏移。
圖14的控制引腳106可以通過修整在制造期間設(shè)置，或可以利用由具有加載在其存儲器中的編程指令的控制器或處理器傳輸?shù)目刂菩盘柋豢删幊炭刂啤?br> 現(xiàn)在將看到上述的各種實施例通過使用全部具有相同比較器滯后的比較器并結(jié)合容易實現(xiàn)的電阻階梯，消除了由具有不同滯后值的比較器導(dǎo)致的可變滯后引起的延遲以及處理誤差。因為在任何特定的操作頻率下所有所得的信號交叉具有相同的與其相關(guān)的開關(guān)延遲，所以當在所有頻率范圍內(nèi)操作時，內(nèi)插精度和性能保持相同。因此，僅僅需要使用一種類型的滯后比較器。在采用僅僅一種類型的滯后比較器檢測所有信號交叉的情況下， 交叉之間的失配被最小化，并且性能被提高。而且，所有衰減的中間輸出信號可以通過簡單的電阻階梯來生成，這有助于消除或最小化例如由部件-部件之間或組件-組件之間的差異導(dǎo)致的衰減中間輸出信號之間的誤差。此外，上述的實施例簡單并易于實現(xiàn)，并且提供了較之常規(guī)的光學(xué)編碼器具有改善的高頻性能的光學(xué)編碼器。
現(xiàn)在參考圖16-18，其中示出了用于光學(xué)編碼器的滯后補償內(nèi)插模塊的另一實施例，其具有用于其中所包含的每個比較器的可編程或可修整滯后設(shè)置，其中，每個比較器的滯后是可編程和/或可修整的，以進行精細調(diào)整和調(diào)節(jié)。每個比較器可以被配置來與一個或不同的輸入信號幅值配對。
圖16示出了比較器電路142和用于生成4X方波輸出信號的相應(yīng)邏輯電路150 的一個實施例。
圖17示出了各種提供給圖16所示的電路的輸入信號和由圖16所示的電路生成的輸出信號。
圖18示出了每一個比較器240具有可調(diào)正反饋環(huán)，其中，電阻器Mla，241b和 Mlc可以在制造期間被修整，或可以利用由具有加載在其存儲器中的編程指令的控制器或處理器傳輸?shù)目刂菩盘柋豢删幊炭刂啤?br> 調(diào)整比較器中的每一個使得對于圖17中所示的方波沿中的每一個能夠獲得精確定時的交叉，即使部件-部件之間的處理誤差可能引入誤差或失配。
注意，比較器和邏輯電路142/150可以包括比較器和OR門或M)R門，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其他合適的比較器和邏輯電路。
可以根據(jù)本文提供的實施例、教導(dǎo)和公開中的至少一些被改進的編碼器的一個實例是AVAGO TECHNOLOGIES AEDT-9340編碼器。該編碼器的數(shù)據(jù)頁被包括在與本申請同一日遞交的信息公開聲明Qnformation Disclosure Statement)中， 標題為〃 AEDT-934(^eries ;High Temperature 115 "C ； 1250/2500CPR 6-Channel Coummutation Encoder",其全文被并入本文。
現(xiàn)在將會理解的是，本文所提出和公開的各種實施方式是簡單的并且易于實現(xiàn)， 并且可以利用任何合適的工藝技術(shù)諸如CMOS或BiCMOS進行集成。電流放大器編碼器的各種實施方式非常適用于高速應(yīng)用。而且，本文所公開的電流放大器編碼器的各種實施方式可以以小的管芯尺寸來實現(xiàn)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以構(gòu)造上述的新穎的電流放大器編碼器的多種不同的組合、排列和變化，但是這些不必在此進行明確公開。
本發(fā)明的各種實施方式解決了一定的問題并且具有一定的優(yōu)點。在一些實施方式中，管芯尺寸可以被制造得更小，編碼器速度可以被提高，制造成本可以被降低，IC設(shè)計時間可以被減少和簡化，并且單一碼道光學(xué)編碼器的尺寸和成本可以被維持或甚至被減小， 同時提高了編碼器的空間分辨率。通常，反射型光學(xué)編碼器中的集成電路是反射型光學(xué)編碼器系統(tǒng)中的單個的最昂貴的部件。本文所公開的單一碼道構(gòu)造所允許的小的覆蓋區(qū) (footprint)和尺寸允許構(gòu)建具有高分辨率的小的編碼器。盡管編碼器的尺寸和覆蓋區(qū)更小，光學(xué)反射型編碼器的各種實施方式還允許獲得前所未有的更高的分辨率。
各種實施方式是相對簡單的并易于實現(xiàn)，并且得到更小的封裝、降低了管芯和組裝成本、使用常規(guī)和簡單的電子電路并消除了對于電路再設(shè)計的需要。
本發(fā)明的范圍也包括制造本文描述的各種部件、裝置和系統(tǒng)的方法。
除了上述實施例之外，可以預(yù)料到本發(fā)明的各種實施例。例如，尤其可以想到結(jié)合單一碼道和上文中所描述的實施例的其他特征的透射光學(xué)編碼器。
上述實施例應(yīng)該被認為是本發(fā)明的示例，而不是對本發(fā)明的范圍的限制。除了本發(fā)明的上述實施例之外，對于詳細說明書和附圖的回顧將會引出存在本發(fā)明的其他實施例。因此，這里沒有明確地陳述的本發(fā)明前述實施例的許多結(jié)合、排列、改變以及修改仍然落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，包括 光發(fā)射器，被配置成從其發(fā)射光；多個具有前邊緣和后邊緣的光探測器或光電二極管，其沿單一碼道和公共軸線布置， 以形成單一碼道光探測器，所述單一碼道光探測器具有沿著所述公共軸線布置的多對A和 A\數(shù)據(jù)通道的光探測器以及B和B\數(shù)據(jù)通道的光探測器，所述A和B光探測器和A\和 B\光探測器分別被布置來生成相位彼此相差90度的輸出信號，所述A、A\、B和B\光探測器分別生成第一輸出斜坡信號、第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號；信號生成電路，其至少包括第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，這些放大器被配置成分別接收與所述A、A\、B和B\光探測器相對應(yīng)的所述第一輸出斜坡信號、 第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號作為對其的輸入，所述第一放大器被配置來提供完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號，所述第二放大器被配置來提供完整A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號，所述第三放大器被配置來提供完整B 輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號，所述第四放大器被配置來提供完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)扒輸出斜坡信號；第一組的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯，所述第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯被配置成分別接收所述完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號、完整A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號、完整B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號以及完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號作為對其的輸入，所述第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的電阻值，使得由每個所述電阻階梯提供的中間輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率；被配置來接收所述A中間輸出信號和分數(shù)A中間輸出信號作為對其的輸入的第一比較器，被配置來接收所述々\中間輸出信號和分數(shù)A\中間輸出信號作為對其的輸入的第二比較器，被配置來接收所述B中間輸出信號和分數(shù)B中間輸出信號作為對其的輸入的第三比較器，以及被配置來接收所述扒中間輸出信號和分數(shù)B\中間輸出信號作為對其的輸入的第四比較器，所述第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器分別提供中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號；以及邏輯電路，其被配置來接收所述電阻階梯輸出信號并基于所述電阻階梯輸出信號生成通道A輸出方波或脈沖信號和通道B輸出方波或脈沖信號，其中，所述第一組的第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯具有與其相關(guān)的電阻值，使得由每個所述電阻階梯提供的所述中間輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率，從而消除在所述第一比較器、所述第二比較器、所述第三比較器和所述第四比較器之間的滯后的差異。
2.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，還包括第二組的第一可調(diào)電阻階梯、第二可調(diào)電阻階梯、第三可調(diào)電阻階梯和第四可調(diào)電阻階梯，這些可調(diào)電阻階梯被配置成分別接收所述中間第一輸出信號、所述中間第二輸出信號、所述中間第三輸出信號以及所述中間第四輸出信號作為對其的輸入，并且所述第二組電阻階梯的所述第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的可調(diào)電阻，這些可調(diào)電阻可分別由向其傳輸?shù)牡谝豢刂菩盘?、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號選擇，使得由每個所述電阻階梯提供的輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率。
3.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，還包括第二組的第一可調(diào)電阻階梯、第二可調(diào)電阻階梯、第三可調(diào)電阻階梯和第四可調(diào)電阻階梯，這些可調(diào)電阻階梯被配置成分別接收所述中間第一輸出信號、所述中間第二輸出信號、所述中間第三輸出信號以及所述中間第四輸出信號作為對其的輸入，并且所述第二組電阻階梯的所述第一電阻階梯、第二電阻階梯、第三電阻階梯和第四電阻階梯中的每一個具有與其相關(guān)的可修整電阻，這些可修整電阻可分別被選擇，使得由這些電阻階梯中每一者提供的輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率。
4.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述分數(shù)輸出斜坡信號中的至少一些對應(yīng)于所述完整輸出斜坡信號的幅值的約1/3。
5.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述分數(shù)輸出斜坡信號中的至少一些對應(yīng)于所述完整輸出斜坡信號的幅值的約1/6。
6.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器和所述邏輯電路由CMOS器件實現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器和所述邏輯電路由BiCMOS器件實現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器電路和所述邏輯電路由半導(dǎo)體集成電路器件實現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述比較器的所述滯后在約IOmV到約50mV之間的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述光探測器或光電二極管被沿所述單一碼道和所述公共軸線布置，以形成由(A，B，A\，B\)、(A、A\、B，B\)、 (A, B\，A\，B)或(A，B, A\，B\)中的一種限定的光探測器或光電二極管的序列圖案或重復(fù)序列圖案。
11.一種高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，包括光發(fā)射器，被配置成從其發(fā)射光；多個具有前邊緣和后邊緣的光探測器或光電二極管，其沿單一碼道和公共軸線布置， 以形成單一碼道光探測器，所述單一碼道光探測器具有沿著所述公共軸線布置的多對A和 A\數(shù)據(jù)通道的光探測器以及B和B\數(shù)據(jù)通道的光探測器，所述A和B光探測器和A\和 B\光探測器分別被布置來生成相位彼此相差90度的輸出信號，所述A、A\、B和B\光探測器分別生成第一輸出斜坡信號、第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號；信號生成電路，其至少包括第一放大器、第二放大器、第三放大器和第四放大器，這些放大器被配置成分別接收與所述A、A\、B和B\光探測器相對應(yīng)的所述第一輸出斜坡信號、 第二輸出斜坡信號、第三輸出斜坡信號和第四輸出斜坡信號作為對其的輸入，所述第一放大器被配置來提供完整A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號，所述第二放大器被配置來提供完整A\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號，所述第三放大器被配置來提供完整B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號，所述第四放大器被配置來提供完整B\輸出斜坡信號和分數(shù)扒輸出斜坡信號；被配置來接收所述A輸出斜坡信號和分數(shù)A輸出斜坡信號作為對其的輸入的第一比較器，被配置來接收所述々\輸出斜坡信號和分數(shù)A\輸出斜坡信號作為對其的輸入的第二比較器，被配置來接收所述B輸出斜坡信號和分數(shù)B輸出斜坡信號作為對其的輸入的第三比較器，以及被配置來接收所述B\輸出斜坡信號和分數(shù)B\輸出斜坡信號作為對其的輸入的第四比較器，所述第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器中的每一個具有可調(diào)正反饋環(huán)，所述可調(diào)正反饋環(huán)包含多個可選擇性修整或可選擇性開關(guān)的電阻器，所述第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器分別提供中間第一輸出信號、中間第二輸出信號、中間第三輸出信號以及中間第四輸出信號，所述第一比較器、第二比較器、第三比較器和第四比較器的所述可調(diào)正反饋環(huán)被配置成使得所述第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號在任何給定時間都具有基本相同的斜率或互補的斜率；邏輯電路，其被配置來接收所述第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號，并基于所述第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號以及第四輸出信號生成通道A輸出方波或脈沖信號和通道B輸出方波或脈沖信號。
12.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述分數(shù)輸出斜坡信號中的至少一些對應(yīng)于所述完整輸出斜坡信號的幅值的約1/3。
13.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述分數(shù)輸出斜坡信號中的至少一些對應(yīng)于所述完整輸出斜坡信號的幅值的約1/6。
14.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器和所述邏輯電路由CMOS器件實現(xiàn)。
15.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器和所述邏輯電路由BiCMOS器件實現(xiàn)。
16.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述信號生成電路、所述比較器電路和所述邏輯電路由半導(dǎo)體集成電路器件實現(xiàn)。
17.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，每個可調(diào)正反饋環(huán)中的每個所述電阻可以根據(jù)存儲在存儲器中的指令而被接通到所述正反饋環(huán)中或從所述正反饋環(huán)斷開。
18.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，每個可調(diào)正反饋環(huán)中的所述電阻中的至少選定的一些可以根據(jù)存儲在存儲器中的指令而被接通到所述正反饋環(huán)中或從所述正反饋環(huán)斷開。
19.如權(quán)利要求11所述的高分辨率、高速、單一碼道光學(xué)編碼器，其中，所述光探測器或光電二極管被沿所述單一碼道和所述公共軸線布置，以形成由(A，B，A\，B\)、(A、A\、B， B\)、(A, B\, A\，B)或(A, B, A\，B\)中的一種限定的光探測器或光電二極管的序列圖案或重復(fù)序列圖案。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)編碼器中的滯后補償內(nèi)插電路。本發(fā)明公開了用于補償與單碼道光學(xué)編碼器中的內(nèi)插電路的比較器相關(guān)的滯后差異的電路和方法的實施方式。通過設(shè)置適當配置的電阻階梯電路來調(diào)整到比較器的輸入或通過編程或修整比較器的正反饋環(huán)中的電阻器，可以最小化或消除上述滯后差異。本文公開的單碼道光學(xué)編碼器構(gòu)造允許以小的封裝提供的非常高分辨率的反射光學(xué)編碼器。還公開了制造和使用這樣的光學(xué)編碼器的方法。
文檔編號G01D5/36GK102538849SQ20111035059
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月31日
發(fā)明者翁重山, 鐘民拓, 陳吉恩 申請人:安華高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司