CN107525530A - 一种绝对式光电编码器的集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝对式光电编码器的集成电路，属于集成电路技术领域，包括增量信号链路、绝对信号链路、偏置电路模块及配置模块；所述的增量信号链路包括增量光电转换模块、增益可调放大器模块及细分模块；所述的绝对信号链路包括绝对光电转换模块及读出电路模块；所述的偏置电路模块为集成电路提供电流和电压偏置；所述的配置模块为集成电路提供配置信号。本发明的集成电路实现了绝对编码器中传感器，放大电路，处理电路等电学部分的集成化，将细分及***设计结合起来，不增加芯片尺寸的前提下提，对绝对位置编码进行细分后。较传统编码器采集处理电路，具有集成化设计，结构简单，响应速度快，无需外加电路。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种绝对式光电编码器的专用集成电路。
背景技术
随着工业化的深度发展和信息化的推进，对光电编码器的要求也不断提高，编码器将不只是作为角度传感器，将逐步成为信息的采集、反馈、判断、处理的综合载体。
编码器的分辨率和精度是其最主要的指标。分辨率提高主要依靠细分实现，包括：硬件细分、软件细分、电学细分、幅域细分等等细分方法。精度提高主要依靠：材料性能提升、加工工艺进步、装配误差降低、误差校正算法的应用等。
传统绝对式光电编码器一方面由于其光学和电学原理，对光栅码盘的刻画要求越来越复杂，导致光电接收器件的设计也无法实现高度的集成化，使得编码器产品复杂度较高；另一方面，编码器分辨率的提高很大程度上依靠码道的增加和细分技术的应用，码道的增加直接导致码盘尺寸变大，限制编码器的使用场景。
综上所述，绝对式光电编码器的分辨率和尺寸问题，是传统绝对式光电编码器不可调和矛盾点，要实现其小型化、高可靠性、高分辨率、高集成化的目标，必须采用集信息采集、反馈、判断、处理于一体的专用集成电路，这也是绝对式光电编码器的研究重点。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明的目的是提供一种新型的绝对式光电编码器专用集成电路，和标准的商业CMOS工艺完全兼容。目的在于结合了绝对编码和增量编码方式，通过芯片内部的处理电路，实现了编码器最主要的电学原理和信号处理功能，在提高编码器分辨率的同时，实现了其小型化的目标。
本发明通过如下技术方案实现：
一种绝对式光电编码器的集成电路，包括增量信号链路、绝对信号链路、偏置电路模块4及配置模块5；
所述的增量信号链路包括增量光电转换模块11、增益可调放大器模块2及细分模块6；在增量信号链路中，光电信号由增量光电转换模块11产生，经过增益可调放大器模块2的多级放大，输出4路相位相差90°的正弦信号D3，最终由细分模块6完成细分处理，进而得到增量信号D2；
所述的绝对信号链路包括绝对光电转换模块12及读出电路模块3；在绝对信号链路中，光电信号由绝对光电转换模块12产生，经读出电路模块3进行读取，并通过采集、积分、放大、列选电路读出最终的绝对信号D1；
所述的偏置电路模块4为集成电路提供电流和电压偏置；
所述的配置模块5为集成电路提供配置信号。
进一步地，所述的增量光电转换模块11，由120个均匀扇形排列的光电二极管组成，按照ABCD交错排布的方式连接，产生4组光强相同且彼此相位相差90°的光电流。
进一步地，所述的绝对光电转换模块12，由120个均匀扇形排列的光电二极管组成，每个二极管所产生的光电流独立并行输出。
进一步地，所述增益可调放大器模块2采用两级流水线结构，由高增益跨阻放大器及全差分放大器组成，高增益跨阻放大器可实现高增益的跨阻放大，采用 TG门(传输门)对各电阻及电容进行控制，TG门由配置模块5控制，可实现放大器增益多梯度的调节和模式控制，将增量光电转换模块11产生的4组相位相差90°的光电流信号跨阻放大为相位差90°的电压信号；再分别将相位相差180°的两组信号，通过全差分放大器，最终得到四路相位相差90°的正余弦信号，并通过配置模块5调节增益可调放大器模块2的R_S中的电阻值，使得4路信号通过第一级高增益跨阻放大器所放大的正弦电压信号幅值相近，同时用R_S的电阻值变化控制第二级全差分放大器的增益，实现对增量光电转换模块11输出信号的去噪和放大功能。
进一步地，所述读出电路模块3采用级联二级放大电路加列选电路模式，如图4所示，其中，所述的级联两级放大电路由高增益跨阻放大器及源跟随器组成；对绝对光电转换模块12中的光电信号，在级联二级放大电路的第一级采用高增益跨阻放大电路，将微弱的光电流跨阻放大为电压，再经过第二级源跟随器，减小输出阻抗，提高电路整体的带负载能力，经放大后的信号均接至信号总线上；信号在总线上经输出缓冲器最终将信号串行输出。
所述的列选电路，由240个控制开关组成，分别控制绝对光电转换模块12 中的光电信号的开启/关闭；具体地是通过控制开关SW0-SW120的开关顺序，来控制120路读出电路的工作和信号输出顺序。由控制开关来实现120路光电流的开启/关闭,再经电容C进行积分采集；由控制开关SW1-SW120将采集放大后的信号依次输出到总线上。
进一步地，所述配置模块5，为集成电路的数字控制单元，由数字接口电路和寄存器组组成；其中，数字接口电路用来完成电路外对电路内部工作状态的控制；寄存器组由8个可独立寻址的8位寄存器构成，用来存储电路外向电路内输入的控制信号。
进一步地，所述细分模块6的作用是为增量式正弦信号进行细分，由采样保持电路、比较器、数模转换器及逻辑控制单元组成；输入的正弦信号D3先经过采样保持电路，保持住的信号再输入到比较器；同时作为参考的标准电压Vref通过数模转换器的处理，可以依次得到电压Vref/2，Vref/4，……，Vref/2n并将它们依次输入到比较器中，n为ADC的分辨率；输入的正弦信号D3会与这些参考电压依次比较，如果输入的正弦信号D3的电压较大，则将此时的参考电压保留，并输出为1；反之，输入的正弦信号D3的电压较小，则舍去参考电压，同时输出为0，而这些比较过程中输出的逻辑值，从高到低依次对应了ADC输出的最高有效位到最低有效位。最后就实现了图2中所描述的细分。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明的集成电路输出的每个正弦增量信号都对应一个确定的绝对位置，通过对正弦信号的细分，实现对增量信号的绝对位置信息的细分，此种对应关系有效提高了增量信号和绝对位置信息之间的转化；
2、采用匹配差分的结构设计的增益可调放大器模块，在对信号进行放大的同时，去除了信号所带噪声。相较于传统编码器的放大处理电路，本发明的集成电路可做到多路信号的完全匹配，并通过差分来去除多路信号共同存在的噪声，不需要对增量信号进行校正便可电学细分。
3、本发明的集成电路的读出电路模块在一次曝光周期内，多路信号同时进行采集放大，通过逻辑开关来控制所采集的多路信号串行输出,具有采集快，读出周期短等优势。
附图说明
图1为本发明的光电编码器的集成电路的结构示意图；
图2为本发明的增量及绝对光电转换模块的结构示意图；
图3为本发明的细分模块的细分原理示意图；
图4为本发明的增益可调放大器模块的结构示意图；
图5为本发明的读出电路模块的结构示意图；
图中：增量光电转换模块11、绝对光电转换模块12、增益可调放大器模块 2、读出电路模块3、偏置电路模块4、配置模块5、细分模块6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明的光电编码器的集成电路在0.35μm标准CMOS工艺下设计。
如图1所示，一种绝对式光电编码器的集成电路，包括增量信号链路、绝对信号链路、偏置电路模块4及配置模块5；所述的增量信号链路包括增量光电转换模块11、增益可调放大器模块2及细分模块6；在增量信号链路中，光电信号由增量光电转换模块11产生，经过增益可调放大器模块2的多级放大，最终由细分模块6完成细分处理，进而得到增量信号；所述的绝对信号链路包括绝对光电转换模块12及读出电路模块3；在绝对信号链路中，光电信号由绝对光电转换模块12产生，经读出电路模块3进行读取，并通过采集、积分、放大、列选电路读出最终的绝对信号D1；所述的偏置电路模块4为集成电路提供电流和电压偏置；所述的配置模块5为集成电路提供配置信号。
所述的增量光电转换模块11和绝对光电转换模块12分别为120个二极管均匀扇形阵布(角度为10.52°)，具体的信号产生流程如下：
在增量信号链路中，当电路正常工作时，增量光电转换模块11产生4组相位彼此相差90°的正弦电流信号(实测值约为400nA)。再经增益可调放大器模块2输出两路相位相差90°的正余弦信号，跨阻放大器的输出表达式为： V＝Vref+RI(Vref为参考电压，R为反馈电阻，I为输入电流)；减法器的输出表达式为：V＝k(V+—V-)+Vref(k为输入电阻与反馈电阻比，V+、V-为输入电压)；再将光电流的表达式Isin2π ft带入，可得最终四路相位相差90°的正弦信号输出表达式为：其中，参考电压Vref为1.5V，k为6 倍，R为540KΩ。通过仿真及实测四路正余弦输出V的平均值为1.5V，峰-峰值为2V，相位相差90°。
细分模块6的作用是为增量式正弦信号进行9bit细分，具体工作流程为输入正弦信号Vin首先经过采样保持电路，在控制信号的调控下，采样保持的信号输出到比较器。细分模块参考电压为1.8V，在9bit数模转换器DAC的处理下，可以依次输出电压VDAC：0.9V，0.45V，……，0.0035V，作为比较器的另一端输入。在第一个时钟周期T内，经过采样保持后的输入电压与0.9V进行比较， Vin＞0.9V，则输出逻辑1，并保持此次比较时的参考电压0.9V(Vin小于0.9V，则输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压0.9V)；在第二个时钟周期T内，Vin和1.35V进行比较，Vin＜1.35V，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压 0.45V；在第三个时钟周期T内，Vin和1.125V进行比较，Vin＞1.125V，输出逻辑1，并保持此次比较时的参考电压0.225V；在第四个时钟周期T内，Vin和 1.2375V进行比较，Vin＜1.2375，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压 0.1125V；在第五个时钟周期T内，Vin和1.1813V进行比较，Vin＜1.1813V，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压0.0563V；在第六个时钟周期T内，Vin和1.1531V进行比较，Vin＜1.1531V，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压0.0281V；在第七个时钟周期T内，Vin和1.139V进行比较，Vin＜1.139V，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压0.014V；在第八个时钟周期T内，Vin和1.132V进行比较，Vin＜1.132V，输出逻辑0，并舍去此次比较时的参考电压 0.007V；在第九个时钟周期T内，Vin和1.1285V进行比较，Vin＜1.1285V，输出逻辑1，并保持此次比较时的参考电压0.0035V。最后逻辑输出101000001(输入信号Vin为1.1285V)，一次转换结束。
在绝对信号链路中，绝对光电转换模块12由120个独立的光电二极管组成，并产生串行的光电信号Vo输出。在2MHz时钟CLK的环境下，当使能信号出现一个高电平方波信号，读出电路进入一个读取周期。在一个读取周期中，首先将控制开关SW0接地，放掉全部电容C中的电荷；接着将控制开关SW0全部开启，等待3us的曝光时间，让全部电容C完成对光电流D0–D120的积分采集；然后关掉控制开关SW0，电容C中的光电流经高增益跨阻放大器转换为0-3.3V 的电压信号，再由源跟随器将电压信号稳定在一个恒定的电压值；同时由列选择电路生成的控制信号SEL_N(N取1-120)，相邻SEL_N信号在时间轴上依次后移1μs，在SEL_N的控制下，控制开关SW1开启，电压信号Vo1经信号总线，输入到最后的输出缓冲器；1us秒后控制开关SW1关闭，同时控制开关SW2开启，电压信号Vo2同样经信号总线，输入到最后的输出缓冲器；依次类推，将 120路放大后的电压信号顺次输入到总线上，最后经输出缓冲器将信号串行输出 (整个周期为150μs)。
Claims (7)
1.一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，包括增量信号链路、绝对信号链路、偏置电路模块(4)及配置模块(5)；
所述的增量信号链路包括增量光电转换模块(11)、增益可调放大器模块(2)及细分模块(6)；在增量信号链路中，光电信号由增量光电转换模块(11)产生，经过增益可调放大器模块(2)的多级放大，输出4路相位相差90°的正弦信号D3，最终由细分模块(6)完成细分处理，进而得到增量信号D2；
所述的绝对信号链路包括绝对光电转换模块(12)及读出电路模块(3)；在绝对信号链路中，光电信号由绝对光电转换模块(12)产生，经读出电路模块(3)进行读取，并通过采集、积分、放大、列选电路读出最终的绝对信号D1；
所述的偏置电路模块(4)为集成电路提供电流和电压偏置；
所述的配置模块(5)为集成电路提供配置信号。
2.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述的增量光电转换模块(11)，由120个均匀扇形排列的光电二极管组成，按照ABCD交错排布的方式连接，产生4组光强相同且彼此相位相差90°的光电流。
3.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述的绝对光电转换模块(12)，由120个均匀扇形排列的光电二极管组成，每个二极管所产生的光电流独立并行输出。
4.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述增益可调放大器模块(2)采用两级流水线结构，由高增益跨阻放大器及全差分放大器组成，高增益跨阻放大器可实现高增益的跨阻放大，采用传输门对各电阻及电容进行控制，传输门由配置模块(5)控制，可实现放大器增益多梯度的调节和模式控制，将增量光电转换模块(11)产生的4组相位相差90°的光电流信号跨阻放大为相位差90°的电压信号；再分别将相位相差180°的两组信号，通过全差分放大器，最终得到四路相位相差90°的正余弦信号。
5.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述读出电路模块(3)采用级联二级放大电路加列选电路模式；其中，所述的级联两级放大电路由高增益跨阻放大器及源跟随器组成；对绝对光电转换模块12中的光电信号，在级联二级放大电路的第一级采用高增益跨阻放大电路，将微弱的光电流跨阻放大为电压，再经过第二级源跟随器，减小输出阻抗，提高电路整体的带负载能力，经放大后的信号均接至信号总线上；所述的列选电路，由240个控制开关组成，分别控制绝对光电转换模块12中的光电信号的开启/关闭。
6.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述配置模块(5)，为集成电路的数字控制单元，由数字接口电路和寄存器组组成；其中，数字接口电路用来完成电路外对电路内部工作状态的控制；寄存器组由8个可独立寻址的8位寄存器构成，用来存储电路外向电路内输入的控制信号。
7.如权利要求1所述的一种绝对式光电编码器的集成电路，其特征在于，所述细分模块(6)的作用是为增量式正弦信号进行细分，由采样保持电路、比较器、数模转换器及逻辑控制单元组成；输入的正弦信号D3先经过采样保持电路，保持住的信号再输入到比较器；同时作为参考的标准电压Vref通过数模转换器的处理，可以依次得到电压Vref/2，Vref/4，……，Vref/2n并将它们依次输入到比较器中，n为ADC的分辨率；输入的正弦信号D3会与这些参考电压依次比较，如果输入的正弦信号D3的电压较大，则将此时的参考电压保留，并输出为1；反之，输入的正弦信号D3的电压较小，则舍去参考电压，同时输出为0。
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