专利名称：用于提高编码器的分辨率的内插方法和装置的制作方法
技术领域：
本申请涉及用于提高编码器的分辨率的内插方法和装置。
背景技术：
编码器是用于测量绝对位置或系统中的部件相对于预定参考点的相对位置的传感器。用于确定绝对位置的编码器被称为绝对编码器。存在两种主要类型的编码器，即磁编码器和光学编码器。磁编码器通过感测磁场来工作，而光学编码器通过感测光的变化来工作。一般来说，光学编码器包括光源、编码构件和光电检测器阵列。编码构件可以是被构造为围绕码盘的中心轴旋转的码盘。因此，具有码盘的编码器也被称为旋转编码器。用于线性编码器的编码构件可以是可以来回方式移动的线性码条。因此，具有线性码条的编码器被称为线性编码器。光学编码器可被进一步分为透射型光学编码器和反射型光学编码器。在透射型光学编码器的情况下，光源被用于生成光，所述光然后通过编码构件的光窗朝向光电检测器阵列照射。在反射型光学编码器的情况下，光源被用于生成光，所述光然后通过编码构件被反射到光电检测器阵列上。编码器被广泛用于工业自动化领域，诸如机器人技术、自动设备或其他机器。但是，编码器也被常用于消费产品，诸如打印机。在打印机的情况下，编码器可被用于测量打印机的辊子或打印头的移动。编码器还可以安装到电子按摩椅的辊子上。对于工业用途， 编码器可以提供感测和测量能力、使能电动机控制系统或机器人技术、自动设备或其他机器中的其他致动器的闭环反馈。通常，编码器被用于测量几个微米或更小的距离。编码器的分辨率由编码器可检测的最小距离来限定。一般来说，编码器的分辨率可以由编码构件的图案和检测器的尺寸来确定。例如，光学编码器的分辨率可以由码条图案和用于检测落在光电检测器阵列上的光的光电检测器来确定。一种用于提供增大的分辨率的方法是采用内插方案。内插可以通过倍增输出频率来进行。例如，如果编码产生的一个完整周期的正弦曲线被内插8次，该编码器能够在进行相同的距离的情况下，在8X内插之后产生8个完整周期的正弦曲线。但是，在对编码器中生成的信号进行内插中可能存在挑战，因为信号可能由于如下原因而失真编码构件的抖动、编码构件和光电检测器的错位、光的使得信号变为非理想的正弦曲线的折射和其他光学性质。此外，由单个编码器生成的信号的频率可以在从低频 (接近静态)到数百或甚至数千kHz的范围内。这使得设计内插器是挑战性的和复杂的，这是因为不可能容易地设计在低频和高频下以精确相同的方式工作的电路。内插器可以被集成到光学编码器中。或者，内插器可以作为单独的、独立的器件得至IJ。例如，为了改善采用现有工作编码器的电动机系统，设计者可以选择使用内插器与现有的编码器一起工作，从而可以获得更高的分辨率
发明内容
一种用于对编码器的编码信号进行内插的方法，所述编码器具有被配置来沿预定方向移动的编码构件和被配置来生成光电信号的相应光电检测器，所述方法包括如下步骤生成相位相差45度并具有第一频率的四个第一级信号；对所述四个第一级信号中的每一个进行乘法运算，以获得具有两倍于所述第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号；计算所述第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度并具有所述第二频率的多个第三级信号。一种用于对编码器的编码信号进行内插的内插器，所述编码器具有被配置来沿预定方向移动的编码构件和被配置来生成光电信号的相应光电检测器，所述内插器包括第一级放大电路，被配置来将所述光电信号放大成具有第一频率并且相位相差45度的多个第一级信号；第二级乘法器电路，被配置来对所述第一级信号进行乘法运算，以获得具有两倍于第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号；第三级差分电路，被配置来计算所述第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度并且具有所述第二频率的多个第三级信号。一种光学编码器，包括光源，被配置来生成光；编码构件；光电检测器阵列，被配置来接收通过所述编码构件发射的光，其中，所述光电检测器阵列被配置来生成具有第一频率的多个光电信号；第一级放大电路，被配置来将这些光电信号放大成具有第一频率并且相位相差45度的多个第一级信号；第二级乘法器电路，被配置来对这些第一级信号进行乘法运算，以获得具有两倍于第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号； 第三级差分电路，被配置来计算这些第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度的多个第三级信号。
在附图中图示了作为实例而非限制的示例性实施方式。在整篇说明书和附图中， 彼此相差100的相似标号可被用于指代相似的元件。图IA示出了没有标线板的透射型旋转编码器的透视剖切图；图IB示出了没有标线板的透射型旋转编码器的侧视剖切图；图2A示出了具有标线板的透射型线性编码器的透视图；图2B示出了具有标线板的透射型线性编码器的侧视剖切图；图3A-3D示出了如何利用具有菱形光窗的标线板生成正弦信号；图4A-4C示出了如何利用具有两行光窗的标线板生成两个相位相差90度的正弦信号；图5A示出了用于线性编码器的标线板，其包含布置成四行的四组光窗，可配置来生成四个相位相差45度的光电信号；图5B示出了用于线性编码器的标线板，其包含布置成四行的四组光窗，可配置来生成四个相位相差45度的光电信号；图6示出了包含以共矩心方式布置的四组光窗的标线板；图7A示出了包含光电检测器和用于提高编码器的分辨率的内插电路的框图；图7B示出了利用一个乘法器的开关电容器电路；图8A-8E示出了由内插电路的各级生成的信号；
5
图9示出了可适用于产生数字输出的比较器；图10A-10D示出了如何可以计算由不同的放大器生成的信号来获得两个相位相差90度的数字信号；图11示出了包含不同的放大器的电路，所述不同的放大器可配置来由两个相位相差90度的光电信号生成相位相差45度的信号；图12示出了用于从生成相位相差45度的信号开始内插编码器的编码信号的方法；以及图13示出了用于从生成相位相差90度的信号开始内插编码器的编码信号的方法。
具体实施例方式图IA示出了没有标线板(reticle)的透射型旋转编码器100的局部透视图。旋转编码器100可以形成电动机控制系统的一部分，可以用来对运动盘的旋转进行感测和检测。图IB示出了透射型旋转编码器100的侧视剖切图。透射型旋转编码器100可以包括光源110、编码构件120、具有至少一个光电检测器141的检测器模片140。编码构件120可以是如图IA所示的码盘或如2A所示的线性码条，或者可以是在具体应用中所需要或期望的任何其他类似构造。编码构件120可以具有多个光窗121。对于编码构件120的码盘，光窗121可以围绕编码构件120的中心在周边上对称间隔开地布置成行。编码器100可以包括至少2行光窗121以及至少2个处于各行下方的光电检测器141，使得旋转的距离和方向都可以被检测，如在图4A-4C中更详细地示出的。为了简化起见，示出了仅仅一行光窗121以及相应的光电检测器141，以示明图IA中的编码构件120与光电检测器141的关系。现在参考图IA和图1B，光窗121可以被构造成当编码构件120沿方向109a或方向109b旋转时允许光束111以周期性图案透射通过编码构件120。当编码构件120旋转时，由光窗121限定的预定形状的光斑113可以被投射到光电检测器141上。光窗121可以限定任何形状。但是，编码构件120的光窗121通常限定矩形形状。 在图IA所示的实施例中，光窗121可以限定菱形形状，使得所检测到的光电信号可以是准正弦波形或正弦波形。利用光电检测器141检测到的光电信号可以是落在光电检测器141 上的光斑113的面积的函数。其他形状诸如椭圆形、圆形、扁圆形或任何其他类似形状也可适用于产生准正弦波形。光学透镜(没有示出)可以被放置在光源110和编码构件120之间、或编码构件 120和检测器模片140之间，或在上述位置上都放置，这取决于设计要求。光学透镜可以被配置来准直从光源110发射的光，或将光束111聚焦到光电检测器141上，使得光斑113的尺寸可以被修改。如果光窗121没有被正确地与光电检测器141对准，则编码器100的性能可能不是高效的。但是，光电检测器141可能被组装在印刷电路板(此后称为“PCB”)上或另一壳体(该壳体然后再组装到容纳编码构件120的系统的另一部分上)上。这样的结构可能导致更大的对准误差，这可能影响编码器100的性能。为了克服这样的对准问题，可以将标线板230与编码构件220 —起使用，如图2A所示。
图2A示出了具有标线板230的透射型线性编码器200的透视图。线性编码器200 可以是电动机控制系统的一部分，其被配置来检测机器部件沿线性方向移动的距离。图2B 示出了线性光学编码器200的侧视剖切图。线性光学编码器200可以包括光源210、编码构件220、标线板230和检测器模片M0。检测器模片240可以包括适用于接收来自光源210 的光的光电检测器Ml。编码构件220可以是线性码带，所述线性码带具有允许光透视穿过其的四边形光窗221。编码构件220可以被构造成沿方向209a或方向209b移动。与可以被组装到PCB上的检测器模片240或可以被后来组装在电动机系统的一部分上的壳体不同，标线板230可以在编码构件220和检测器模片MO已经被固定在适当位置以后的最终组装处理中被组装。光电检测器241可以大于考虑了检测器模片240的定位或对准误差的公差所需的。因为在最终处理中可以利用标线板230的定位执行对准，所以对准误差不会级联传递并劣化编码性能，而图IA所示的编码器100可能是这样的。此外， 因为编码构件220已经被固定，所以可以利用工具或夹具(没有示出)更精确地对准标线板230，以最小化对准误差。参考图2A和图2B，光源210可以被配置来生成光，使得光束211可被从编码构件 220的四边形光窗221发射。光束211可以在标线板230上产生基本四边形的光斑212。具有拥有特定形状的开口或光窗231的标线板230然后可以将光斑212的形状转变为光电检测器241上的光斑214，使得光电检测器241可以生成准正弦波形或正弦波形。为此目的， 光窗231的合适形状可以是菱形、扁圆形、椭圆形或圆形，这些能够在适当的配置中产生准正弦或正弦信号。如图2A所示，光束213在透射通过标线板230的光窗开口 231之后，可以将菱形形状的光斑214投射到光电检测器241上。参考图2B，光学透镜(没有示出)可以被放置在光源210和编码构件220之间、或编码构件220和标线板230之间，或在上述位置上都放置。通常对于没有标线板的编码器 100，如图IA所示的，改变编码器的分辨率意味着将编码构件120(参见图1A)改变为具有不同尺寸的光窗121(参见图1A)的编码器。但是，对于具有标线板230的编码器200，改变分辨率可能仅仅意味着更换不同的透镜(没有示出)和不同的标线板230。这可能是由于如下的事实投射在标线板230上的光斑212的尺寸可以由透镜来改变。从设计者的角度出发，这是将透镜用于具有标线板230的光学编码器200的另一益处，如图2A所示，因为改变透镜和标线板比改变编码构件更容易。当编码构件220沿方向209a或209b移动时，光斑212和214的尺寸以与编码构件220的速度相关的频率周期性变化。标线板230可以被固定到可以保持静止的光电检测器240上。当光斑212的位置与标线板230的开口或光窗231对准时，完整的光斑214可以被投射到光电检测器241上。但是，当光斑212的位置没有落在开口或光窗231上时，不会产生光电检测器241上的光斑214。这被示于图3A-图!3B。图3A示出了其中光斑312与标线板330的光窗331重合的实施方式。在图中， 光斑312被标线板330阻挡。图3C示出了当光斑312沿方向309b移动离开标线板330的开口或光窗331时光电检测器341上的光斑314的面积如何变化。图3D示出了图线300， 所述图线300示明了由光电检测器341生成的光电流341a与光斑312位置的对应关系。在图3D中，图线300的Y-轴301表示光电流341a，并且图线300的X-轴302表示光斑312的位置。参考图2A以及图3A-3C，在位置30 处，光斑312与光窗331重合，如图3A所示，因此所生成的光电流341a处于最大值。类似地，在位置302b处，光斑312被标线板330阻挡，如图:3B所示，因此所生成的光电流341a处于最小值。如在图3D的图线中可看到的，虽然光斑312被完全阻挡，但是所生成的光电流341a可能不为零，而是在图3D中在302b处示出的低电流。此现象是由于如下的事实光电流341a不仅由来自光源210(参见图2A)的光生成，而且也由泄漏到光电检测器341上的环境光以及爱光电检测器341内固有地产生的暗电流来生成。所生成的光电流341a可以是在光电检测器341上形成的光斑214(参见图2A)的面积的函数。因此，理论上可以通过选择具有精确表示正弦波形的面积的光窗331来产生正弦波形。但是，实际情况不是这样的，因为其他因素诸如光折射、光电检测器341的固有电容和形状也可以对所生成的光电流Mia的量有贡献。通过考虑影响光电流341a的其他效应，可以将各种形状诸如菱形、扁圆形、圆形或其它类似形状用于光窗，以产生准正弦或正弦波形。此外，根据设计，可以进行光学模拟以确定光窗331的合适尺寸和形状。如图3D的图线300所示，对于光斑312行进的小的相似固定距离Δ χ，与位置302c 相比，位置30 处光电流341a以更慢的速率减小。这可以考虑如图3C所示的在光电检测器341上生成的相应光斑314的尺寸在位置30 和302c处如何变化来解释。参考图3C，当光斑312位移Δ x的距离时，在位置30 处生成的光斑314可以减小尺寸314a。相反，在位置302c处，对于相同的位移Δ x，光斑314可以减小尺寸314c。如图3C所示，尺寸3Hc可能与尺寸31 相差很大。如本领域中已知的，可以利用光电检测器341和光学模拟的适当建模，进行光电流341a的估计和计算。为了检测运动的速度以及方向，通常需要与图3D中所示的那些相似的两个波形 341a。图4A示出了具有两组光窗431和433的标线板430，所述两组光窗431和433以不同的行对称交错开。检测器模片MO (图2A中所示)可以包含至少两个光电检测器441和 443，所述光电检测器441和443被配置成分别布置在各组光窗431和433的相应下方。在光学编码器中，光电检测器441和443的数量被称为编码器的轨道的数量。如图4A所示，所有的光窗431和433可以具有相同的形状和尺寸。光窗431和433的菱形形状具有处于中央部分的最大直径406，D0来自同一组中的光窗431和433可以与每一个相邻的光窗431 或433分开距离406a。距离406a可以大致等于或稍大于最大直径406，D。在图4A-4C所示的一个实施方式中，编码构件220(参见图2A)可以被构造成沿基本水平的路径在方向409a或409b上来回移动。因此，在标线板430处生成的光斑412可以沿方向409a或409b移动，如图4A-4B所示。来自同一组中的光窗431和433可以以沿光斑412的运动的路径以间隔开的方式布置。在图4A所示的实施方式中，来自同一组中的光窗431和433可以以沿光斑412在其中水平行进的同一水平行间隔开的方式布置。来自同一组中的每一个光窗431和433可以布置成与来自其他组中的相应的光窗 431和433相距1/2D的距离407处，以便获得两个相位相差为90度的信号。对于图4A中所示的实施方式，来自第一组中的所有光窗431可以被排列成水平行，而来自第二组中的所有光窗433可以被排列成另一水平行，所述另一水平行与第一组的水平行在垂直方向上隔开。此外，第一组的光窗431可以与第二组的光窗433在水平方向上错开1/2D的距离。 结果，光电检测器441和443可以相似的方式布置，以与光窗431和433相对应。图4C示出了对光斑412在方向409b上行进的距离作图的光电检测器441和443的光电流441a和443a。Y-轴401表示电流，而X-轴402表示行进的相对距离。当光斑 412沿方向409b行进时，波形443a将领先波形441a 90度。例如，在如图4B所示的位置 402a,光斑412与光窗431完全重合，并且因此，光电流441a可以处于最大值。但是，在位置40 处，光窗433的仅仅一半被照射，并且光电流443a的相应输出处于中间点。将波形441a和443a认为是在光斑412在方向409b上行进时所生成的两个正弦波形，可以观察到光电流441a与光电流443a相差90度相位。并且，如图4C所示，光电流 441a先于光电流443a。对于图4A-4C中所示的实施方式，当光斑412沿方向409b行进时， 光电流441a将先于光电流443a。但是，当光斑412沿方向409a行进时，光电流443a将先于光电流441a。通过将距离407减小到1/4D，两个波形可以相差45度相位。图5A示出了如何可以获得四个彼此相差45度相位的光电信号。在图5A中，标线板530包括四个组别的光窗531，532，533和534，每一个组分分别排列成水平行。光电检测器Ml，542，543和544可以分别布置在光窗531，532，533和534 下方。第二组中的每一个光窗532可以布置在与第一组内的相应的光窗531相距1/4D的距离508处，使得第一光电检测器541和第二光电检测器M2中生成的光电信号相位相差 45度。相应地，第三组的光窗533可以与第二组的光窗532在水平方向上错开1/4D，第四组的光窗534可以与第三组的光窗533在水平方向上错开1/4D。光窗531，532，533和534 的布置和排列可以使得光电检测器541，542，543和544生成四个彼此相位相差45度的光电信号。图5A中的每一组光窗531，532，533和534不必在垂直方向上错开以形成如图5A 所示的具有多个行的队列。事实上，每一组光窗531，532，533和534可被布置在标线板530 的周围区域内的任何地方，甚至是在同一水平行上，如图5B中所示，条件是在标线板530上以距离D周期性地生成光斑412，如图4B所示。例如，在图5B所示的实施方式中，第二组光窗532可以被布置在与第一组光窗531相同的水平行。但是，第二组中的每个光窗542可以被布置在与第一组光窗531相距(2DXN)+1/4D (其中N= 1，2，3，...)的距离508a处。相应地，第四组光窗534可以从第三组光窗533开始沿水平方向或光斑412的运动方向409a 或409b (如图4A-4B中)布置，如图5B中所示。类似地，第三组光窗533和第四组光窗534 之间的距离可以为508a。图6图示了示出了用于旋转编码器的标线板630的实施方式，其具有排列成多列和多行的四组光窗631-634。与用于线性编码器的标线板530(其中所有光窗531，532，533 和534如图5A-5B所示可以是平行的)不同，用于旋转编码器的光窗631-634可以按照运动的径向方向排列。光电检测器641，642，643和644可被分别布置在各组光窗631，632，633 和634下方。可以存在总共八个光电检测器641，642，643和644，其排列成2行。排列在相似组的光窗631，632，633和634下方的各光电检测器641，642，643和644可以电连接。例如，在两行中的光电检测器644可以彼此电连接。与图5A-5B中的标线板530不同，在图6中，每一行包含来自所有组的光窗631， 632，633和634。图6中的实施方式包含排列成四列的光窗631，632，633和634，其中每一列可以包含来自各个组的光窗631，632，633和634。此外，来自同一组的光窗631，632，633 和634可以被彼此排列在对角线两头，使得各个组的重心可以被布置成彼此基本重叠于标线板630的中心639。这种类型的排列可以被称为共矩心(commoncentroid)技术。该技术可以应用于四组光窗631，632，633和634设计，所述四组光窗631，632，633和634排列成四行和四列，遵循如下原则各个组的重心可以彼此重叠于中心639。共矩心技术可以有效减小错位效应。例如，考虑如下情形光窗631，632，633和 634中的一行错位，使得落在相应的光电检测器641，642，643和644上的光减少。因为在光电检测器641，642，643和644处接收到的光小于设计值，所以所生成的相应光电信号的幅值可能小于原设计值。但是，该效应在光窗631，632，633和634的所有组中都可见，并且可以在后续级中被消除。本文将在下面进一步说明该构思。图7A示出了说明内插电路700以及光电检测器741,742, 743和744的实施方式。 内插电路700可以被用于任何类型的编码器。如图7A所示，该电路可被分成多个级，包括光电检测器级740、放大级750、第一乘法级760、第一差分级770、第二乘法级780和第二差分级790。根据所需的分辨率，可以按需要重复乘法级760和差分级770。光电检测器级 740可以不是内插电路700的一部分，而是利用其他的集成芯片来实现，或者与内插方案集成在一起，如图7A所示。光电检测器级740可以包括多个光电检测器741，742，743和744。如前述的实施方式所示，光电检测器741，742，743和744可以利用多于四个的光电检测器741，742，743 和744来实现，其中每一个光电检测器被分别布置在光窗631，632，633和634中的一组的下方，如图6所示。属于同一组的光电检测器741，742，743和744可以彼此电连接，使得光电检测器741，742，743和744可以被配置为生成四个光电信号741a_744a。根据标线板630 的光窗631，632，633和634的排列(图6所示)，光电信号741a_7Ma可以相差45度的相位。光电信号741a_7Ma可能没有强到足以驱动后续级中的电路。因此，可能在放大级750中需要放大器751，752，753和754，如图7A所示。放大器751，752，753和乃4可以是跨阻放大器。放大器751，752，753和7M可以被配置来将光电信号741a_7Ma放大为四个第一级信号751a-7Ma。因为四个第一级信号751^75 可以利用沿特定方向以一定速度移动的具有光窗221的编码构件220 (如图2A所示)来生成，所以第一级信号751a_7Ma 具有第一频率。第一频率可与编码构件220(如图2A所示)的移动速度成比例。因为编码构件220可以逐渐完全停止，所以第一频率的范围可能从为零的低频率(静止状态)到数百或甚至数千kHz的高频率。根据光电信号741a-744a的驱动强度是否足够，放大级750 可以是可选的。第一级信号751a-75^可以利用如等式(1)的数学通式来建模，在等式(1)中，A、 a、C和Φ是常数。参考图2Α、图4Α和图7，χ可以表示编码构件220的位移或编码构件220 相对于参考点(没有示出)的相对距离，而D表示光窗431-434的宽度406，ω表示频率。y = Asin (a ω χ/ (2D) + Φ) +C (1)为了避免数学复杂度并且增加描述的清晰性，说明了基于简化模型S11，S12，S13和 S14的第一级信号7513-75 的实施例，如等式( 所示。但是，可以获得与利用等式(1)所示的精确建模相似的结果。S11 = Sin(Cox)S12 = sin (ωχ + π /4)S13 = sin (ω χ+Ji/2) = cos(cox)
S14 = sin (ω χ+3 Ji /4) = cos (ω x+ ji /2) (2)第一乘法级760可以包括多个乘法器761，762，763和764。乘法器761-764可以是任何能够对信号进行乘法的常规电路。第一级信号7513-75 中的每一个可以自乘或交叉相乘，以获得多个第二级信号761a-764a，其中，基于如等式( 所示的三角几何等式，所述第二级信号7613-76 具有二倍于第一频率的频率。sin (2 ω χ) = 2sin (ω χ) cos (ω χ)cos (2 ω χ) = l_2sin2(cox) (3)在乘法器761-764的模拟电路实现方式中，模拟乘法器电路可以具有附加的功能，诸如将信号反相、引入相移或甚至过滤掉信号的一些更高频分量。与数学等式不同的是，与任何系数的乘法可以容易通过改变模拟电路的增益来实现。用于实现此的另一方法是通过将所有信号转换为数字信号，然后利用微控制器计算数学方程。但是，数字计算可能缺少模拟乘法器的一些功能，如上面所讨论的那些。在图7A所示的实施方式中，乘法器761-764进行运算，将Sin(X)转换为sin (h)。 因此，第二级信号761a-76^可以被建模为S21，S22，、和&4，如等式(4)所示。乘法器 761-764可被配置来进行某些其他类似的运算，诸如l-2CoM2X)或C0S(h)。但是，所得到的输出可以仍然是频率为第一频率的2倍的信号，但是相位相差90度(或π /2弧度)。S21 = sin2X ωχ) = sin (2 ω χ) S22 = sin2X (ωχ+ji /4) = sin (2 ω χ+ji /2) = cos (2 ω χ)S23 = sin2 X (ωχ + ji /2) = sin (2χ+ ji ) = -sin (2 ω χ)S24 = sin2 X (ω χ+3 Ji /4) = -cos (2 ω χ)(4)为了准备第二级信号761a_764a的频率的进一步倍增，可以将第二级信号 761a-764a的组合连接到包含差分电路771，772，773和774的第一差分级770，以利用等式 (5)所示的三角几何等式获得相位相差45度的信号。差分电路771-774可以是完全差分电路。为了简化起见，在图7A中省略了反馈电阻和参考电压。sin(2cox+ji/4) = I/ V 2 (sin (2 ω x+cos (2 ω χ))cos (2 ω χ+ ji /4) = 1/( V 2 (cos (2 ω χ) -sin (2 ω χ)) (5)例如，这可以通过如下来实现计算第三级信号7713-77 的组合的差，如图7Α所示，并将所计算出的差与常数相乘，以获得多个第三级信号7713-77 和771b-774b。数学模型示于等式(6)。1/2X (S21-S23) = sin(2 ωχ)1/( v 2) x (s22-s23) = sin (2 ω x+ ji /4)1/2 X (S22-S24) = cos (2 ω χ) 1/( V 2) X (S22-S21) = cos (2 ω χ+ ji /4) (6)在实施方式中使用的常数分别是{1/2，1/ V 2,1/2,1/ V 2}，如等式(6)所示。虽然可以选择如等式(6)中所示的&「&3，S22-S23,和^2-S21的特定组合，可以也可以是应用等式(5)中所示的原理来生成相位相差45度(π/4弧度)的信号的其他组合。第一乘法级760中用于加倍频率的技术以及第二差分级770中用于复制相位相差 45度的信号的技术可以被重复。例如，如图7Α中所示，第一差分级的输出7713-77 可以被连接到第二乘法级780，所述第二乘法级780包含乘法器781-784，以获得多个频率是第三级信号771a-77^和771b-774b的二倍的第四级信号781a-784a。第四级信号781a-784a 的频率是第一级信号751a_7Ma的第一频率的四倍。一般来说，例如第四级信号781a-784a的信号以及对于任何后续级的信号可以由等式(7)来建模，其中，N = 2，3，4...，表示放大的级。例如，考虑第二乘法级780和第二差分级790，N等于2，而对于后续的第三乘法级(没有示出)和第二差分级(没有示出)，N 将等于3。S2N1 = sin (2Ν ωχ)S2N2 = cos (2Ν ω χ)S2N3 =-sin (2Ν ω χ)S3n4 = -cos (2ν ω χ) (7)如前面讨论的，第四级信号(2Ν级信号)7813-78 可以由第三级信号级信号)7713-77 和771b-774b来生成。类似地，可以将一组常数{1/2,1/( V 2),1/2,1/ (V 2)}与第四级信号(2N级信号)7813-78 的组合相乘，以利用等式(5)获得多个具有相同频率但是相位相差45度的第五级信号(2N+1级信号)791a-7Ma和791b_794b，如等式 ⑶所示。1/2 X (S2ni-S2n3) = sin (2Ν ω χ)1/( V 2X (S2n2-S2n3) = sin(2Ncox+Ji/4)1/2 X (S2n2-S2n4) = c0s(2N ω χ)1/( V 2) X (S2n2-S2ni) = cos (2Νωχ+ji /4) (8)差分放大器771-774的输出可以具有互补输出端子771b_774b，其与相应的输出 771a-774a相差180度的相位。互补信号771a-77^和771b_774b可被用于产生数字输出信号，如图10A-10D所示。此外，信号771b-774b中的任意一个可以替换信号771a-77^中的任意一个来输入到乘法器781-784中，以获得第四级信号781a-784a。虽然图7A示出了信号7813-78 的特定组合被选择输入到差分放大器771-774或791-794，但是其他组合也是可以的。一种这样的实施例是当选择信号771b-774b来代替信号7713-77 时。在其中乘法器771-774产生任何相移的另一实施方式中，等式(6)或等式(8)中所示的组合可能需要改变。但是，在任何情况下，电路结构可以基于等式(5)中所示的三角几何等式，以获得相位相差45度的信号。理论上，利用差分放大器771-774或791-794进行乘法和计算差值的技术可被重复所期望的次数。但是，实际中，在经过一定数量的内插级之后，噪声和信号失真可能太大， 使得进一步内插不能产生任何有意义的信号。通过小心地设计电路以及光电检测器241与编码构件220的光窗221的良好对准，如图2所示，多达U8X的内插是可能的。但是，这可以利用具有改善的信号/噪声性能的其他电路技术来改善。在图7A所示的实施方式中，每一个级或者包含四个放大器751-754、四个乘法器 761-764或781-784，或者四个差分放大器771-774或791-794。但是，在基于开关电容器电路的另一实施方式中，如图7B所示，可能在各级中需要仅仅一个这样的电路。现在参考图 7B所示的实施方式，来自放大器级750的信号7513-75 可被连接到通过开关751d_7Md 连接到多个电容器751c-7Mc，所述电容器751c-7Mc可以通过另一组开关751e-7Me再连接到放大器765。电容器751c-75k可以被配置来通过接通开关751d_754d来存储第一级信号751a-7Ma。在信号被存储在电容器751c_75k处之后，可以一次接通开关751e_7Me 中的一个，以计算乘法输出76fe。图8A-8E示出了对于每一级的输出波形的实施例。Y_轴表示801信号的幅值，而 X-轴802示出了编码构件220(参见图2A)行进的相对距离。参考图7A和图8A-8C，第一级信号8513-85 可以是具有第一频率的相位相差45度的信号，如图8A所示。但是，在第一乘法级760之后，第二级信号8613-86 可能变为相差90度相位，但是频率为第一频率的2倍，如图8B所示。信号861a-86^的幅值可以与第一级信号851a-8Ma的不同。第二级信号8613-86 是信号8513-85 的2X内插信号，因为频率已经被加倍。但是，第二级信号8613-86 可能因为两个原因而不适用于利用类似于乘法级760的电路进行进一步内插。首先，幅值可能对于进一步内插来说太小。其次，信号相差90度相位。利用乘法级760 的进一步内插可能不会生成具有适用于内插的交叉点的信号(如图10A-10C所示)。通过遵循等式( 的原理计算第二级信号861a-86^的选定组合的差，如等式(6) 所示，可以获得相位相差45度的第三级信号871a-874a，如图8C中所示。但是，第三级信号 871a-87^的频率与第二级信号861a-86^的相似。如图7A中所示，利用差分电路771-774 或791-794，在乘法过程中或在计算差值的过程中可以产生相移。这可能取决于选择来进行所述运算的各电路的特性。但是，信号之间的频率和相位关系将保持与图8C所示的相同。参考图7A、图8D和图8E，第三级信号871a-87^可以经过进一步的乘法级。例如， 第二乘法级780获得频率是第三级信号8713-87 的两倍或者是第一级信号851^85 的四倍的第四级信号881a-884a。第四级信号881^88 可以相差90度的相位，并且幅值小于第二级信号861a-864a中所见到的幅值。类似地，信号可以被生成为具有更大幅值并且相位相差45度的第五级信号891a-894a，可用于进一步乘法运算或内插。信号85 ，864a， 87 ，88 和894在各图线(分别参见图8A-8E)中用粗线示出，用于比较不同的级。如图7A所示，电路通过经由输出缓存器(没有示出)放大两个最终级输出中的两个，例如791a和793a，可以变为模拟内插器。在具有N个乘法级和N个差分级(没有示出) 的另一个实施方式中，具有90度相位差的2N级信号或2N+1级信号中的两个可以被模拟缓存器放大，以提高电流驱动能力。模拟输出可以是相位相差90度的准正弦和余弦曲线，但是具有2N倍的频率，表示信号已经被内插2n次。例如，第三级信号871a-874a中的第一信号871a和第三信号873a通过经由模拟缓存器提高驱动性，可以变为2X内插电路的模拟输出。类似地，第二级信号861a-864a中的第一信号861a和第二信号86 如果针对幅值和电流驱动能力进一步放大，也可以适于作为具有2X内插的模拟输出。类似地，在内插之后，2N级信号或2N+1级中的两个信号可以被供入比较器 976-977中，以获得数字输出信号976a-977a，如图9所示。相关的波形被示于图10A-10D 中。在图10A-10D中，Y-轴1001表示幅值，X-轴1002表示编码构件(参见图2A)的位置。 在图9所示的实施方式中，到各个比较器976和977的输入可以分别是第三级信号971a和 971b以及973a和973b中的两个。信号971a和973a的相位相差90度。输入971a和971b 可以被相关，使得两个信号的相位相差180度。在该实施方式中，当971a大于971b时，比较器976的输出976a可以保持高电平或数字“1”。另一方面，当971a小于971b时，输出 976a可以是低电平或数字“0”。类似的关系可以适用于973a和973b。这样，数字输出977a 可以是较之976a的数字输出相位相差90度的数字信号。其他构造也是可以的。例如，在另一实施方式中，当971a大于971b时，比较器976a的输出可以保持低电平。图10A-10B中示出的波形可以是没有噪声或失真的理想波形。实际中，由于光电检测器Ml、标线板230和编码构件220 (图2A所示)的错位而可能存在噪声。相应地，波形可能失真或具有偏差。对于旋转编码器(如图IA所示)失真可能更复杂，因为编码构件 120可能抖动。此外，用于实现乘法运算的电路可能由于用于构建电路�？榈拿扛鼍骞苤械拇砦蟛疃逃械氐贾缕�。为了使得信号的噪声和失真的影响最小化，一种技术仅对相位相差180度的两个信号的那些交叉点进行比较。另一种技术仅仅比较正弦曲线的中心处。这两种技术都被用于图10A-10B。比较相位相差45度或90度的不同信号可以获得更高的分辨率，但是交叉点可能不在曲线的中心，并且可能易于受到失真和噪声的影响。另一种实现更高内插的技术是通过使用四个光电检测器M1-244并应用共矩心技术，如图6中所示。共矩心技术可以产生更不容易受错位或调和失真影响的信号。例如， 参考图6中所示的实施例(其中，光电检测器641-644中的一行由于光窗631-634的错位而生成更小的光电信号)，错位对于数字输出基本没有影响，如图10C-10D所示，原因是即使输入971a-971b和973a_973b的幅值改变，交叉点保持基本相同，这归因于共矩心排列， 其保证在所有信号中相等地发生减小。虽然使用四个光电检测器741-744(如图7A所示)可以产生更适用于内插的光电信号741a-744a，但是由于空间和成本要求，具有四行光电检测器741-744可能从成本和空间方面来看是低效的。相反，两行光电检测器可能是优选的。此外，在一些情形中，可能需要对现有的编码器200进行内插，所述编码器200可能具有生成两个相位相差90度的光电信号的光电检测器对1，如图2A-2B和图4A-4C所示。为了用于具有两个光电检测器的编码器，通过用图11所示的电路替换光电检测器级740和放大级750，可以应用图7A所示的电路。所应用的技术可以非常类似于等式 (5)，但是具有附加步骤，因为仅仅存在两个光电检测器1141-1142(如图11)，而不是四个光电检测器741-744。参考图11，电路1100可以包括反相和放大级1150A以及差分级1150B。在反相和放大级1150A中，由光电检测器1141和1142生成的光电信号1141a和1142a可以分别被反相和放大，以获得多个相位相差90度的乘法前级信号，包括1151a，1151b，1152a和1152b。 反相和放大级1150A的输出可以按等式(9)建模。S01 = Sin(Cox)S02 = COS(COx)S03 = -sin (ω χ)S04 = -cos (ω χ) (9)类似地，利用如等式(5)中所示的三角几何等式，差分级1150Β中的差分电路 1156-1159可以被配置来生成相位相差45度的第一级信号1156a_1159a和1156b_1159b。 用于第一级信号1156a-1159a的数学模型如等式(10)所示。第一级信号1156a_1159a与图7A中所示的第一级信号7513-75 相似。1/2 X (S01-S03) = sin (ω χ)1/( V 2) X (S02-S03) = sin (ω χ+Ji /4)
1/2X (S03-S04) = cos (ωχ)1/( V 2) X (S02-S01) = cos (ωχ+Ji/4) (10)如前所解释的，虽然可以选择特定组合^-Stl3，S02-S03, S02-S04和^-Stll和特定常数{1/2，1/( V 2),1/2,1/( V 2)}用于图11所示的实施方式，但是其他实施方式也是可以的，同时仍然应用等式(5)中所示的原理并且所使用的常数可以被相应地调整。图12示出了图示了用于内插具有编码构件和至少4个光电检测器的编码器的编码信号的方法的流程图。在步骤1210中，生成四个相位相差45度的、具有第一频率的第一级信号。这可以包括利用光源和具有以特定方式排列的光窗的编码构件(包括图5A-5B和图6中所示的实施方式)生成光电信号。在其中光电检测器安置在另一系统中的另一实施方式中，这可以包括将四个相位相差45度的具有第一频率的光电信号放大成四个第一级信号。步骤1220包括对四个第一级信号中的每一个进行乘法运算，以获得多个具有两倍于第一频率的第二频率的第二级信号。如前所解释的，这可以采用如等式(5)中所示的三角几何等式所举例说明的原理来完成。在步骤1230中，计算第二级信号的选定组合的差，并将结果乘以常数，以获得多个相位相差45度的第三级信号。在另一实施方式中，步骤1220 和1230可以被重复N次，以获得频率为第一频率的2N倍的2N级信号和2N+1级信号。2N 级信号相位相差90度，而2N+1级信号相位相差45度。2N级信号或2N+1级信号可以被比较，以获得两个相位相差90度的数字输出，或可以被放大，从而可以获得模拟输出信号。图13示出了图示了用于内插具有编码构件和至少2个光电检测器的编码器的编码信号的方法的流程图。在步骤1310中，生成两个相位相差90度的具有第一频率的信号。 这可以包括利用光源和具有以特定方式排列的光窗的编码构件生成光电信号，以获得相位相差90度的光电信号(包括图4A-4C所示的实施方式)。在另一实施方式中，这可以包括将两个相位相差90度的具有第一频率的光电信号放大成两个信号。在步骤1320中，这两个信号被反相并放大成具有第一频率的多个乘法前级信号。在步骤1330中，可以计算乘法前级信号的选定组合的差，并可将结果乘以常数，以获得多个相位相差45度的具有第一频率的第一级信号。其实施例被示于等式(10)。这之后是步骤1340，其包括对四个第一级信号中的每一个进行乘法运算，以获得多个具有两倍于第一频率的第二频率的第二级信号。如前所解释的，这可以采用如等式(5)中所示的三角几何等式所举例说明的原理来完成。在步骤1350中，计算第二级信号的选定组合的差，并可将结果乘以常数，以获得多个相位相差45度的第三级信号。在另一实施方式中，步骤1340和1350可以被重复N次，以获得频率为第一频率的2N倍的2N级信号和2N+1级信号。2N级信号相位相差90度，而2N+1级信号相位相差45度。2N级信号或2N+1级信号可以被比较，以获得两个相位相差90度的数字输出，或可以被放大，从而可以获得模拟输出信号。虽然已经描述和说明了本发明的具体实施方式
，但是本发明不限于所描述和说明的部件的具体形式或布置。具体地，具有相应的常数的等式和数学等式的组合是示例性的并且仅仅用于举例说明。虽然使用了图7A和图11中的电路�？椋抢檬执淼缏吠ü行藕抛晃中藕趴梢曰竦美嗨频慕峁�。应该理解的是，应宽泛地解释所述说明和描述。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1.一种用于对编码器的编码信号进行内插的方法，所述编码器具有被配置来沿预定方向移动的编码构件和被配置来生成光电信号的相应光电检测器，所述方法包括如下步骤生成相位相差45度并具有第一频率的四个第一级信号；对所述四个第一级信号中的每一个进行乘法运算，以获得具有两倍于所述第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号；以及计算所述第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度并具有所述第二频率的多个第三级信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将乘法运算和计算差的步骤重复N次，以获得多个2N级信号和2N+1级信号，每个步骤包括对多个2N-1级信号进行乘法运算以获得所述多个2N级信号，这些2N级信号的频率为所述第一频率的24咅并且相位相差90度，其中，N = 2,3,4...；以及计算这些2N级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得所述多个2N+1级信号，这些2N+1级信号的频率为所述第一频率的2N倍并且相位相差45度。
3.如权利要求2所述的方法，还包括比较这些2N级信号或这些2N+1级信号，以获得至少两个数字输出信号，这些数字输出信号的频率为所述第一频率的21咅并且相位相差90 度。
4.如权利要求2所述的方法，还包括对这些2N级信号或这些2N+1级信号中相差90 度相位的两个信号进行放大，以用作模拟内插输出。
5.如权利要求1所述的方法，其中，利用标线板来生成所述光电信号，所述标线板具有四组布置在所述相应光电检测器上方的光窗，其中，每个组中的光窗被错开，使得由这些光电检测器生成的光电信号的相位相差45度。
6.如权利要求5所述的方法，其中，每个组中的光窗被系统地排列成多个列和行，使得每个组的重心的位置基本彼此重叠。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述四个第一级信号通过对四个相位相差45度的光电信号进行放大来生成。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述四个第一级信号由两个相位相差90度的光电信号生成，包括将两个光电信号反相和放大成相位相差90度的多个乘法前级信号；以及计算这些乘法前级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度并且具有所述第一频率的所述四个第一级信号。
9.如权利要求1所述的方法，其中，计算差的所述步骤包括使用至少一个完全差分放大器。
10.一种用于对编码器的编码信号进行内插的内插器，所述编码器具有被配置来沿预定方向移动的编码构件和被配置来生成光电信号的相应光电检测器，所述内插器包括第一级放大电路，被配置来将所述光电信号放大成具有第一频率并且相位相差45度的多个第一级信号；第二级乘法器电路，被配置来对所述第一级信号进行乘法运算，以获得具有两倍于第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号；第三级差分电路，被配置来计算所述第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度并且具有所述第二频率的多个第三级信号。
11.如权利要求10所述的内插器，还包括2N级乘法器电路，被配置来对2N-1级信号进行乘法运算以获得频率为所述第一频率的24咅并且相位相差90度的多个2N级信号，其中，N = 2,3,4...；以及2N+1级差分电路，被配置来计算这些2N级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得频率为所述第一频率的2N倍并且相位相差45度的多个2N+1级信号。
12.如权利要求11所述的内插器，还包括两个比较器，这两个比较器用于比较这些2N 级信号或这些2N+1级信号，以获得频率为所述第一频率的2N倍并且相位相差90度的至少两个数字输出信号。
13.如权利要求11所述的内插器，还包括放大电路，所述放大电路被配置来对这些2N 级信号或这些2N+1级信号中相差90度相位的两个信号进行放大，以用作模拟内插输出。
14.一种光学编码器，包括光源，被配置来生成光；编码构件；光电检测器阵列，被配置来接收通过所述编码构件发射的光，其中，所述光电检测器阵列被配置来生成具有第一频率的多个光电信号；第一级放大电路，被配置来将这些光电信号放大成具有第一频率并且相位相差45度的多个第一级信号；第二级乘法器电路，被配置来对这些第一级信号进行乘法运算，以获得具有两倍于第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号；以及第三级差分电路，被配置来计算这些第二级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得相位相差45度的多个第三级信号。
15.如权利要求14所述的编码器，还包括2N级乘法器电路，被配置来对2N-1级信号进行乘法运算以获得频率为所述第一频率的？倍并且相位相差90度的多个2N级信号，其中，N = 2,3,4...；以及2N+1级差分电路，被配置来计算这些2N级信号的组合的差，并将这些差分别乘以常数，以获得频率为所述第一频率的2N倍并且相位相差45度的多个2N+1级信号。
16.如权利要求15所述的编码器，还包括两个比较器，这两个比较器用于比较这些2N 级信号或这些2N+1级信号，以获得频率为所述第一频率的2N倍并且相位相差90度的至少两个数字输出信号。
17.如权利要求15所述的编码器，还包括放大电路，所述放大电路被配置来对这些2N 级信号或这些2N+1级信号中相差90度相位的两个信号进行放大，以随用作模拟内插输出。
18.如权利要求14所述的编码器，还包括标线板，所述标线板具有四组布置在所述相应光电检测器上方的光窗，其中，每个组中的光窗被错开，使得所生成的光电信号的相位相差45度。
19.如权利要求18所述的编码器，其中，每个组中的光窗被系统地排列成多个列和行， 使得每个组的重心的位置基本彼此重叠。
20.如权利要求14所述的编码器，其中，所述编码器形成电动机控制系统的一部分。
全文摘要
本发明公开了用于提高编码器的分辨率的内插方法和装置。具体地，公开了一种用于内插编码器的编码信号的方法。第一步可包括生成相位相差45度并且具有第一频率的四个第一级信号。然后对四个信号进行乘法运算，以获得具有两倍于第一频率的第二频率并且相位相差90度的多个第二级信号。然后可对第二级信号进行进一步计算，以获得相位相差45度的多个第三级信号。第三级信号可用于进行进一步乘法运算，以获得更高级的内插。还公开了以内插能力为特征的内插器和光学编码器。
文档编号G01D5/347GK102564478SQ201110343340
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者杜庆兴, 洪进强 申请人:安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
