旋转编码器的抗抖动处理

旋转编码器的抗抖动计数电路

北京中国科学院空间中心与应用研究中心(100080)陈敏捷 田国璋

摘 要： 旋转编码器应用于角度定位或测量时，由于旋转轴的晃动可能引起编码器输出波形的抖

动，从而引发误计数现象。介绍了一个抗抖动计数电路，滤除了旋转编码器因抖动而造成的误计

数。

关键词： 旋转编码器 抗抖动电路 数字电路

旋转编码器应用于角度定位或测量时，通常有A、B、Z三相输出。旋转编码器的输出波形见图

1。

A相和B相输出占空比为50％的方波。编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲(如100

个脉冲)。当编码器正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当编码器反向旋转时，B相

比A相超前四分之一个周期。A相和B相输出方波的相位差为90±45°。编码器每转一周，Z相

输出一个脉冲。由于编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，则A相或B相每输出

一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。当Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。

因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。

问题出在伺服系统停止工作时，若无锁定，则旋转轴受外力(如风力影响)可能自由晃动，因而引

起编码器输出波形抖动，如图2所示，

从而引起误计数。在这种情况下，就不能对波形进行正确计数。虽然可以通过软件设置标志状态，

用记录历史状态的变化来滤除误计数，但是程序耗费颇大。因此，本人设计了一个抗抖动计数电

路，它能够自动消除抖动造成的误计数。

1 抗抖动计数电路原理图

图3是抗抖动计数电路原理图。

此电路滤除了旋转编码器输出波形的抖动现象。该电路分为四个部分：译码电路U4A；互锁电路

U5A、U5B；正旋计数链J1、J3、J5和反旋计数链J2、J4、J6。U4A为二四译码器，U5A、U5B为

与门，J1~J6为D触发器。正旋计数链负责对编码器正向旋转的计数，反旋计数链负责对编码器

反向旋转的计数。

2 抗抖动计数电路工作分析

图4为二四译码器输出的波形

译码器产生d、a、b、c四种不同的状态。在图3中当B=0、A=0时，译码器 Q0输出为d状态，

d状态为高电平。当B=0、A=1时，译码器Q1输出为a状态，a状态为高电平。当B=1、A=1

时，译码器 Q2输出为b状态，b状态为高电平。b状态不影响计数和方向确定，在图3电路中

没有使用。当B=1、A=0时，译码器Q3输出为c状态，c状态为高电平。

当旋转编码器正向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、a、b、c、d、a、b、c……。如图4所

示。当B=0、A=0时，进入d状态，与门U5A的Pin2=a=0(Pin是管脚的意思)，于是U5A的输出

Pin3=0。D触发器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0。与门U5B的Pin5=c=0，于是U5B的输出

Pin4=0。D触发器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。这时J1、J2的端都为1，与门U5的

Pin1=Pin6=1，U5A和U5B都处于等待开门状态。当进入状态a时，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。

由于c=0所以J2的端仍为1，U5A的Pin1=1U5A的输出Pin3=1。J1的R=d=0、S=1，因此J1

被置1。J1的Q=1，=０。J1的Q=1，正旋标志送到了J3的D端。同时J1的端关闭了U5B。在下

一个d出现之前，所有的c脉冲都不会改变J2的状态。这就是说，J1、J3、J5组成的正旋计数

链被打开，J2、J4、J6组成的反旋计数链被阻断。U5A、U5B、J1、J2完成互锁的功能。在进入

状态a时，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0。在进入状态c前，J3

的R=ａ=0、S=0、D=1，J3处于待触发状态。J3的CLK=c，当c脉冲上升沿过后，D=1被打入J3

的Q端，正旋标志送到了J5的D端。在进入状态d前，J5的R=a=0、S=0，J5处于待触发状态。

J5的CLK=d，当d脉冲上升沿过后，D=1被打入J5的Q端，正旋标志送到了正旋计数输出端。

正旋计数输出端由低电平变为高电平。到此为止，完成了一次正旋计数。当由状态d进入状态a

时，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋计数输出端由高电平变为低电平。由此可知，当旋转编

码器正向旋转时，对应A相和B相的每一个完整周期，正旋计数输出端都会产生相应的一个脉冲。

a的出现抢到了正旋计数权。只有在d重新出现后，脉冲c才可能有机会抢到反旋计数权。从而

保证了一旦进入正旋计数状态，不全完成这一过程，就进入不了反旋计数状态。运行时有可能从

状态a返回状态d，结果这只不过释放正旋计数权。因这时正旋标志还只在J3输入端上，a出现

时已把J3清0。d状态只会把0送给J5的Q端，因此不会产生误计数。

当旋转编码器反向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、c、b、a、d、c、b、a……。这种情况

的分析方法与正向旋转的分析方法相同，这里不再叙述。

这就好比接力赛。在一个只允许上一个人的封闭的环形跑道上依次均匀设d、a、b、c四个站，

立四个裁判员。d点为起止点、出入口，持棒运动员沿环形跑道一站站往下跑。d裁判长的职责

是：运动员往a去(顺行)，告示："有人，正向"；往c去(逆行)，告示："有人，反相"。其他裁

判员的职责是给到达本站的运动员发签证(计数标志)，往回跑，撤销签证。d裁判长的计分规则

是：凭其他裁判的签证齐全加牌示，正，加一分，反，减一分，然后撤销签证。签证不齐到d，

则不计分，撤销签证。运动员在跑道内来回跑或坐时，d裁判视而不见。

例如在图2中，当从状态d进入状态a时，正旋标志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b

都不起作用，只是把J3和J5反复清0。当从状态b进入状态c时，正旋标志送到J5的D端。

当从状态c进入状态d时，正旋标志送到正旋计数输出端，同时J1和J2被清零。在从状态d进

入状态c后，反旋标志送到J4的D端。同时，D=0被打入J3的Q端，这时J5的D端为零。在

从状态c回到状态d后，反旋计数权被释放。但是，由于J5的D端为零，虽然这里再次出现状

态d，该d脉冲不会发生计数，这就是抗抖动。

图5为抗抖动计数电路的输出波形。此电路计数频率可达10MHz。A相和B相输入前应予整形，

必要时还要进行光电隔离。

本人把此电路用于对天线云台角度的定位与测量。

天线云台有两个旋转角度，俯仰角从0~90度，方位角从0~354度。旋转编码器用的是OMRON公

司的E6A2。此编码器每转一周，A相或B相输出一百个脉冲。由此可得，抗抖动计数电路每输出

一个脉冲，编码器旋转的角度是3.6度。如果加上变速齿轮将会提高角度测量精度。把抗抖动电

路的正旋计数输出和反旋计数输出接到单片机的中断管脚上，其下降沿时给单片机发中断。单片

机把处理的角度信息送到显示屏上显示出来，从而完成了对天线云台角度的定位与测量。这套天

线角度显示系统在实际使用中运行一直很稳定，没有出现过误计数现象。