專利名稱：編碼器的內(nèi)插電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利申請是申請日為1998年4月28日、申請?zhí)枮?8107930.X并且標題為“編碼器的內(nèi)插電路”的分案申請。
(1)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種對編碼器的二相正弦信號進行數(shù)字內(nèi)插處理的內(nèi)插電路，該電路檢測位置、角度、速度、角速度等以獲得具有高分辨率的相位角數(shù)據(jù)。
(2)背景技術(shù)由于在編碼器的尺度范圍內(nèi)形成的格子間隔方面存在機械限制，來自編碼器的正弦信號的空間周期應(yīng)當再被劃分供內(nèi)插，以便測量比尺度格子更精細的間隔。所以，人們已經(jīng)采用了各種內(nèi)插電路。
圖4是以前的數(shù)字處理采用的內(nèi)插電路的一個例子。相互相移90°的相位A和相位B的二相正弦信號INA和INB從編碼器1輸出，并且隨后由A/D轉(zhuǎn)換器2a和2b用預(yù)定的頻率取樣，分別轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB。預(yù)先根據(jù)下面的公式，用反正切函數(shù)(ATAN)在每一取樣點處準備相位角數(shù)據(jù)，并存儲在查詢表存儲器3中。
u＝ATAN(DB/DA)……(1)所以，通過讀取查詢表存儲器3，獲得每一取樣點處的相位角數(shù)據(jù)u，分別作為地址x和y定義數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB。另外，相位角數(shù)據(jù)u輸入到二相方波數(shù)據(jù)發(fā)生電路4內(nèi)，從而獲得數(shù)字二相方波數(shù)據(jù)OUTA和OUTB。
當試圖在使用如上所述的查詢表存儲器的內(nèi)插電路中獲得足夠的內(nèi)插數(shù)時，查詢表存儲器的容量會變得極大。例如，當A/D轉(zhuǎn)換器2a和2b獲得的數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB是N位時，由數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB規(guī)定的地址空間的大小是N×N。當一要求的內(nèi)插數(shù)定義為I時，相位角數(shù)據(jù)需要大于logaI的整數(shù)J。在這樣一個條件下，查詢表存儲器中需要的存儲器容量是22X×J。
例如，通過將一個周期分為400而獲得的相位角數(shù)據(jù)由8位×8位而尋址的存儲器結(jié)構(gòu)變成如圖5所示。當數(shù)據(jù)長度定義為J＝9時，存儲器容量變成28×28×9＝589，824位。
作為如上文中描述的在數(shù)字系統(tǒng)的編碼器內(nèi)插電路中減小查詢表存儲器的容量的一種方法，已經(jīng)建議采用減小地址空間的方法，這一方法注意到除了符號以外，在地址空間中相位角數(shù)據(jù)周期性重復(fù)的對稱性(日本公開的專利申請Hei.3-68812)。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種編碼器的內(nèi)插電路，其中，由A/D轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字數(shù)據(jù)的高部位所定義的相位角數(shù)據(jù)被設(shè)計成是用其低部位內(nèi)插的，從而可以減小查詢表存儲器的容量。
按照本發(fā)明的編碼器的內(nèi)插電路包含對從編碼器輸出而相互相移90°的A相位和B相位正弦信號進行取樣的A/D轉(zhuǎn)換電路，以給定頻率將合成信號轉(zhuǎn)換成分別具有N位的A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)；存儲與多個相位分段和為每一相位分段準備的內(nèi)插因子對應(yīng)的參考相位角數(shù)據(jù)的查詢表存儲器，用來內(nèi)插參考相位數(shù)據(jù)，以獲得內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)，相位分段是通過劃分相位空間而獲得的，相位空間的二維地址是由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)賦給的，從而由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)中的高部NU位給出二維地址，并且輸入高部NU位數(shù)據(jù)作為二維地址信號；以及通過處理從查詢表存儲器中讀出的參考相位角數(shù)據(jù)和各個內(nèi)插因子獲得內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)以及由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)中的低部NL(＝N-NU)位數(shù)據(jù)表示的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)算術(shù)電路。
本發(fā)明中，與一要求的內(nèi)插數(shù)對應(yīng)的通常要求普通的查詢表存儲器的相位空間被劃分成多個相位分段。本發(fā)明的查詢表存儲器中，存儲有與A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)的高部NU位分別定義的相位分段數(shù)對應(yīng)的相位角數(shù)據(jù)，并讀出參考相位角數(shù)據(jù)，由低部NL位數(shù)據(jù)內(nèi)插。相位角數(shù)據(jù)內(nèi)插中使用的內(nèi)插因子存儲在查詢表存儲器中，存儲器中還存儲有由高部NU位數(shù)據(jù)定義的相位角數(shù)據(jù)。所以，通過簡單的內(nèi)插運算，保留需要的內(nèi)插數(shù)，可以獲得內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)。與此同時與查詢表存儲器具有N×N個全地址的情況相比大量減小了查詢表存儲器的容量并且由該地址定義的整個相位角數(shù)據(jù)被存儲了。
具體說來，由于二相地址用來處理A相位和B相位正弦信號，并且相位內(nèi)插數(shù)據(jù)和內(nèi)插因子表述為二維數(shù)據(jù)，因而內(nèi)插運算采用矢量運算。例如，本發(fā)明中，查詢表存儲器中存儲有作為內(nèi)插因子的每一小地址空間中的相位角數(shù)據(jù)的變化的平均梯度矢量以及由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)的高部NU位尋址的每一相位分段的參考位置的參考相位角數(shù)據(jù)。在這種情況下，執(zhí)行這樣的內(nèi)插運算，產(chǎn)生由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)的低部NL位組成的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)和從查詢表存儲器讀出的平均梯度矢量的矢量內(nèi)積，隨后將此結(jié)果加到從查詢表存儲器讀出的參考相位角數(shù)據(jù)上。結(jié)果，使得按照本發(fā)明內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)與采用具有全地址查詢表存儲器時獲得的相位角數(shù)據(jù)之間的偏差(差錯)充分小。
(4)


下面參照附圖描述按照本發(fā)明的實施例。
圖1示出按照本發(fā)明的實施例的編碼器的內(nèi)插電路。
圖2是描述按照該實施例的相位角數(shù)據(jù)的內(nèi)插原理的圖。
圖3是描繪按照本發(fā)明的參考相位角數(shù)據(jù)和平均梯度矢量之間的關(guān)系的圖。
圖4示出現(xiàn)有技術(shù)編碼器的內(nèi)插電路。
圖5示出描述圖4中的內(nèi)插電路中查詢表存儲器的地址和相位空間。
(5)具體實施方式
圖1描繪的是按照本發(fā)明的一個實施例的編碼器的內(nèi)插電路。盡管可不管具有內(nèi)插電路的編碼器所采用的原理是什么，最好采用光學編碼器和使用MR元件的磁性編碼器，作為編碼器。從編碼器輸出的A相位和B相位正弦信號INA和INB分別用預(yù)定頻率由A/D轉(zhuǎn)換器11a和11b取樣，從而獲得A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB。采用諸如ROM的非易失存儲器構(gòu)成的查詢表存儲器12，以便確定相位角。查詢表存儲器12由數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB訪問。這一基本結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)類似。然而在本實施例中，相位角數(shù)據(jù)存儲在查詢表存儲器12內(nèi)，相位角數(shù)據(jù)的數(shù)目可用數(shù)據(jù)DA和DB的預(yù)定的高部位作為二維地址信號確定。
這就是說，在本實施例的情況下，數(shù)據(jù)DA和DB分別是N位(圖1中，N＝8)。將這些數(shù)據(jù)DA和DB的高部NU位(圖1中NU＝5)輸入到查詢表存儲器12中作為二維地址信號。在存儲器12中，與各個相位分段“a”的各個參考位置(x0，y0)對應(yīng)的參考相位角數(shù)據(jù)u0與相應(yīng)于用于相位角內(nèi)插的各個參考相位角數(shù)據(jù)而準備的內(nèi)插因子一起存儲起來。相位分段“a”是通過劃分相位空間獲得的，該空間的每一二維地址是由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)而賦給的，二維地址由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)中的高部NU位數(shù)據(jù)規(guī)定。每一相位分段“a”的大小是NL×NL，這是在如圖3所示采用N位的數(shù)字數(shù)據(jù)DA和NB作為全地址的情況下存儲22NL個字(NL＝3的情況下為64個字)的相位角數(shù)據(jù)所需的。
如上所述，各個相位分段“a”中相位角數(shù)據(jù)的變化的平均梯度矢量數(shù)據(jù)用作正被存儲的內(nèi)插因子以及參考相位角數(shù)據(jù)u0。應(yīng)當理解，參考相位角數(shù)據(jù)u0的參考位置中的每一個在各個相位分段“a”中是一預(yù)定的位置。
將各個數(shù)據(jù)DA和DB的低部NL位(圖1中NL＝3)的數(shù)據(jù)Δx和Δy分別作為相位內(nèi)插數(shù)據(jù)輸入到執(zhí)行內(nèi)插運算的算術(shù)電路13中。在算術(shù)電路13中，內(nèi)插相位角數(shù)據(jù)的運算是根據(jù)從查詢表存儲器12中讀出的參考相位角數(shù)據(jù)和內(nèi)插因子(即平均梯度矢量)和與低部位數(shù)據(jù)Δx和Δy對應(yīng)的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)來進行的。
參照圖2，下面描述按照該實施例的相位角數(shù)據(jù)內(nèi)插的原理。圖2僅示出相位空間的右上部象限，其中，數(shù)據(jù)DA和DB用地址x和y表示。圖2中，u0是從查詢表存儲器12讀出的某一參考相位角數(shù)據(jù)，并且Δu是將要包括在相位分段“a”中的NL位×NL位的數(shù)據(jù)所定義的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的矢量。在采用N位×N位的全地址情況下獲得的相位角數(shù)據(jù)u是通過用相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的矢量Δu來內(nèi)插參考相位角數(shù)據(jù)u0而獲得的。每一相位分段“a”中相位角數(shù)據(jù)中的變化量(梯度)是由相位分段“a”的參考位置(x0，y0)確定的，并且大體均勻。所以，如上所述，相位分段“a”中相位角數(shù)據(jù)的平均梯度矢量K是預(yù)先確定，作為內(nèi)插因子和參考相位角數(shù)據(jù)u0存儲在查詢表存儲器12中。內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)u可以通過對相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的矢量Δu和平均梯度矢量K的矢量內(nèi)積運算并將結(jié)果加到參考相位角數(shù)據(jù)u0上來獲得，表示成公式就是下述公式(2)。
u＝u0+K×Δu ……(2)相位內(nèi)插數(shù)據(jù)矢量Δu的x分量和y分量分別是Δx和Δy。當平均梯度矢量K的x，y分量分別定義為kx，ky時，公式(2)變成下述公式(3)。
u＝u0+(kx·Δx+ky·Δy)……(3)采用上述矢量內(nèi)積的內(nèi)插運算是用圖1中的算術(shù)電路13進行的。第一和第二乘法器131和132分別將從存儲器12讀出的平均梯度矢量K的kx分量和ky分量與用數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB的低部NL位表示的Δx和Δy分量(即，相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的分量)相乘。第一加法器133將乘法器131和132的結(jié)果相加。相位內(nèi)插數(shù)據(jù)矢量Δu可以由加法器133獲得。第二加法器134將相位內(nèi)插數(shù)據(jù)矢量Δu加到從存儲器12讀出的參考相位角數(shù)據(jù)u0上。結(jié)果，可以獲得所要求的內(nèi)插相位角數(shù)據(jù)。
內(nèi)插的相位數(shù)據(jù)是例如以傳統(tǒng)的方式在二相方波數(shù)據(jù)發(fā)生電路14中處理的，從而輸出二相方波數(shù)據(jù)OUTA和OUTB。
例如，上述相位分段“a”中平均梯度矢量K的kx和ky分量由下述公式(4)給出，相位分段“a”的中心定義為圖3中所示的典型點(x1，y1)。
kx＝-A·y1/(x12+y12)kx＝+A·y1/(x12+y12) ……(4)公式(4)中，當內(nèi)插數(shù)定義為I時，“A”是A＝I/2π。公式(4)是用標量場的數(shù)學公式引入的。即，當由具有某一變化的空間分布的標量場代表的數(shù)據(jù)定義為u＝A·φ，而數(shù)據(jù)的變化部分矢量Δu的x，y分量分別定義為Δx，Δy時，“u”可以由下述偏微分方程(5)給出。
u＝u0(x0，y0)+(δu/δx)Δx+(δu/δy)Δy＝u0(x0，y0)+(-Ay1)/(x12+yl2)+(+Ax1)/(x12+y12) …(5)根據(jù)上述數(shù)學公式，當存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)定義為A＝I/2π(I定義為內(nèi)插數(shù))時，得到公式(4)的平均梯度矢量的分量。
正如圖3中描述的那樣，最好將確定平均梯度矢量K的典型點(x1，y1)定義為相位分段“a”的中心，以提高近似的精度。然而，由于相位分段內(nèi)的變化較小，即使選擇其他的典型點時，也不會出現(xiàn)大的逼近誤差。例如，參考點(x0，y0)可以選擇作為典型點。
另外，作為確定相位角數(shù)據(jù)中變化的平均梯度矢量的另一種簡單的方法，例如，平均梯度矢量可以如下通過計算相鄰相位分段的兩個典型點之差來得到。
kx＝{u(x0+2NL，y0)-u(x0，y0)}/2NLky＝{u(x0，y0+2NL)-u(x0，y0)}/2NL……(6)下面通過具體舉例實際計算，描述采用上述平均梯度矢量K的相位角數(shù)據(jù)的內(nèi)插逼近誤差較小的情況。
當內(nèi)插數(shù)I是400時，信號幅度變得近似于最小值的二分之一的范圍中幾個位置y/x(＝DB/DA)處相位角數(shù)據(jù)u是如下表1來確定的。
表1相位角數(shù)據(jù)u
表1中，當差分數(shù)據(jù)Δu確定時，將(x，y)＝(64，16)定義為參考位置，從而得出表2。
表2差分數(shù)據(jù)Δu
其次，當根據(jù)表1的相位角數(shù)據(jù)確定了每一相位角的偏微商δu/δx和δu/δy時，得到下述表3和表4的結(jié)果。
表3δu/δx
表4δu/δy
這一內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)u＝u0+kx·Δx+ky·Δy是通過采用y/x＝16/64的參考相位角u0來確定的，采用在x1＝65.5、y1＝17.5時的偏微商δu/δx＝-0.24238和δu/δy＝0.907181作為從表3和表4得到的平均梯度矢量分量kx和ky，得到下述表5。
表5u＝u0+kx·Δx+ky·Δy
表5的結(jié)果對應(yīng)于通過本實施例的內(nèi)插電路近似獲得的相位角數(shù)據(jù)。將表1和表5之間的誤差總結(jié)為下表6表6誤差
從上述數(shù)字數(shù)據(jù)中可以得知，本實施例的內(nèi)插電路獲得的逼近值的誤差很小，使得小于內(nèi)插數(shù)400的±1LSB。
如上所述，當在正由8位×8位的地址尋址的查詢表存儲器中賦給內(nèi)插數(shù)400的相位角數(shù)據(jù)時，存儲器容量是28×28×9＝589,824，將相位角數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度定義為9。與此相反，在本實施例中，假設(shè)具有相同數(shù)據(jù)長度且5位的矢量分量kx和ky的參考相位角存儲在由5位×5位的高部位指定的查詢表中，則存儲器容量變成25×25×(9+5+5)＝19,456位。這就是說，與上述例子相比，存儲器容量可以被壓縮成十三分之一。
非易失存儲器如ROM、EPROM和EEPROM和PLD、RAM之類可以用作圖1中所示的查詢表存儲器12。另外，執(zhí)行內(nèi)插運算的算術(shù)電路13可以用微處理器或除數(shù)字電路以外的DSP，通過軟件來實現(xiàn)。
按照本發(fā)明，在用于內(nèi)插的查詢表存儲器中，存儲有由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的編碼器輸出獲得的數(shù)字數(shù)據(jù)的高部NU位指定的相位角數(shù)據(jù)和預(yù)先根據(jù)參考相位角數(shù)據(jù)的相位位置確定的相位角數(shù)據(jù)中變化的平均梯度矢量。內(nèi)插運算是根據(jù)低部NL位的數(shù)據(jù)以及從查詢表存儲器讀取的參考相位角數(shù)據(jù)和平均梯度矢量來進行的，從而查詢表存儲器的容量可以大大地壓縮。
盡管本發(fā)明是針對最佳實施例來描述和給出的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對上述實施例的形式和細節(jié)作各種變更、省略和添加。
本專利申請的相應(yīng)日本申請?zhí)柺?-111123，申請日是1997年4月28日，其說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要一并遞交供參考。
權(quán)利要求
1.一種用于編碼器的內(nèi)插電路，其特征在于，它包含A/D轉(zhuǎn)換電路，用來對從編碼器輸出相互相移90°的A相位和B相位正弦信號進行取樣，用給定的頻率將結(jié)果分別轉(zhuǎn)換成具有N位的A相位和B相位的數(shù)字數(shù)據(jù)；查詢表存儲器，用來存儲與多個相位分段對應(yīng)的參考相位角數(shù)據(jù)和為每一相位分段準備的內(nèi)插因子，后者用于內(nèi)插參考相位數(shù)據(jù)，以獲得內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)，所述相位分段是通過劃分相位空間而獲得的，其二維地址由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)賦給，從而由A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)中的高部NU位數(shù)據(jù)規(guī)定二維地址，其中，高部NU位數(shù)據(jù)的輸入作為二維地址信號，而所述內(nèi)插因子是響應(yīng)于相位分段的相位位置而預(yù)先確定的相位角數(shù)據(jù)的變化的平均梯度矢量；以及算術(shù)電路，通過處理從查詢表存儲器讀出的參考相位角數(shù)據(jù)和各個內(nèi)插因子以及A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)中用低部NL位數(shù)據(jù)表示的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)來獲得內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)，其中，NL＝N-NU。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)插電路，其特征在于，所述算術(shù)電路包含確定從所述查詢表存儲器中讀出的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)和平均梯度矢量的矢量內(nèi)積的乘法裝置；以及將由乘法裝置確定的矢量內(nèi)積加到從查詢表存儲器讀出的參考相位角數(shù)據(jù)上以輸出經(jīng)內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)的加法裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)插電路，其特征在于，所述算術(shù)電路包含分別執(zhí)行kx·Δx和ky·Δy的乘法的第一乘法裝置和第二乘法裝置，其中，Δx、Δy分別是相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的x分量和y分量，并且kx、ky分別是從查詢表存儲器讀出的平均梯度矢量的x分量和y分量；疊加所述第一乘法裝置和第二乘法裝置獲得的結(jié)果的第一加法裝置；以及將所述第一加法裝置疊加的結(jié)果加到從所述查詢表存儲器讀出的參考相位角數(shù)據(jù)上的第二加法裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)插電路，其特征在于，獲得所述平均梯度矢量的x分量和y分量作為各個相位分段內(nèi)中心點處相位角數(shù)據(jù)的偏微商。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)插電路，其特征在于，獲得所述平均梯度矢量的x分量和y分量作為各個相位分段和相鄰的另一相位分段中兩個典型點之間的微分值。
全文摘要
編碼器的輸出由A/D轉(zhuǎn)換器11a和11b取樣，轉(zhuǎn)換成N位的A相位和B相位數(shù)字數(shù)據(jù)DA和DB。在查詢表存儲器12中，存儲相位分段的參考相位角數(shù)據(jù)和相位分段中相位角數(shù)據(jù)中變化的平均梯度矢量，相位分段由數(shù)據(jù)DA和DB的高部NU位尋址。算術(shù)電路確定平均梯度矢量和由數(shù)據(jù)DA和DB的低位NL位表示的相位內(nèi)插數(shù)據(jù)的矢量內(nèi)積，將結(jié)果加到相位角數(shù)據(jù)上，從而輸出經(jīng)內(nèi)插的相位角數(shù)據(jù)。
文檔編號H03M1/22GK1516342SQ02160550
公開日2004年7月28日 申請日期1998年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月28日
發(fā)明者桐山哲郎, 寺口幹也, 也 申請人:株式會社三豐