CN108845157B - 一种光电测速芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电测速芯片，所述芯片包括第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，且上述四个感光检测模块的形状大小相同；所述芯片还包括第一比较器、第二比较器、时序控制模块和压控振荡器；所述压控振荡器输出端连接所述时序控制模块，所述第一感光检测模块和第三感光检测模块的输出端连接所述第一比较器的正负输入端，所述第二感光检测模块和第四感光检测模块的输出端连接所述第二比较器的正负输入端，所述第一比较器和第二比较器的输出端分别输出第一输出信号和第二输出信号。本发明提供的一种光电测速芯片，结构简单占地面积较小，根据比较器的输出结构能够准确判断出码盘的转速。

Description

一种光电测速芯片

技术领域

本发明涉及光电测速领域，具体涉及一种光电测速芯片。

背景技术

光电测速芯片用于检测照射在芯片上光线的变化频率，进而获得遮挡入射光码盘的转速或码条的移动速度。广泛应用于机电产品，实现工件转速检测。例如检测电动机的转速，检测感测零件的转速等等。

目前光电测速芯片产品多采用BJT工艺，使用两个感光二极管检测入射光通过码盘的明暗变化。相应的光电二极管产生的光电流发生变化，进而输出高低脉冲信号，进而计算出码盘的转速。然而，在CMOS工艺中，失调和工艺变化较大，该种电路架构在CMOS工艺下无法使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题时提供一种光电测速芯片，结构简单占地面积较小，根据比较器的输出结构能够准确判断出码盘的转速。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光电测速芯片，所述芯片包括依次相邻的将入射光的光强变化转换为电压变化的第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，且上述四个感光检测模块的形状大小相同；所述芯片还包括第一比较器、第二比较器、时序控制模块和压控振荡器；所述压控振荡器输出端连接所述时序控制模块，用于产生所述芯片上的时钟信号，所述时序控制模块输出控制信号Ⅰ和控制信号Ⅱ，所述控制信号Ⅰ同时连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，所述控制信号Ⅱ同时连接所述第一比较器和第二比较器，所述第一感光检测模块和第三感光检测模块的输出端分别连接所述第一比较器的正负输入端，所述第二感光检测模块和第四感光检测模块的输出端分别连接所述第二比较器的正负输入端，所述第一比较器的输出端输出第一输出信号，所述第二比较器的输出端输出第二输出信号，且所述第一输出信号和第二输出信号的频率和时长均相同。

进一步地，所述压控振荡器的输入端连接正温度系数电压发生器，所述正温度系数电压发生器用于为所述压控振荡器提供与芯片上温度正相关的控制电压。

进一步地，所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块的结构相同，均包含光电二极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和电流源，其中，所述光电二极管的阴极与电源负极相连，阳极与所述第一NMOS管的漏极相连；所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的源极和第三NMOS管的栅极相互连接；所述第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的漏极均与电源正极相连；所述第三NMOS管的源极与所述电流源的正极相连并作为所述的感光检测模块的输出端；所述电流源的负极与电源负极相连。

进一步地，所述第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的源极和漏极可以互换。

进一步地，所述控制信号Ⅰ包括S1控制信号和S2控制信号，所述S1控制信号分别连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第一NMOS管的栅极；所述S2控制信号分别连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第二NMOS管的栅极。

进一步地，所述时序控制模块在t₁时刻，S₁控制信号为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平；在t₂时刻，S₁控制信号由高电平变为低电平，同时，S₂控制信号由低电平变为高电平，控制信号Ⅱ继续保持低电平；在t₃时刻，S₂控制信号由高电平变为低电平，同时，控制信号Ⅱ由低电平变为高电平，S₁控制信号继续保持低电平；在t₄时刻，控制信号Ⅱ由高电平变为低电平，S₁控制信号由低电平变为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平，重复上述步骤，其中，所述t₁时刻到t₄时刻的时间间隔为时序控制模块的周期，所述时序控制模块的周期为所述第一输出信号或第二输出信号时长的1/X，其中，X为正整数。

进一步地，所述第一比较器和第二比较器具有输出保持功能，当控制信号Ⅱ为低电平时，所述第一比较器和第二比较器输出保持之前的输出，当控制信号Ⅱ为高电平时，所述第一比较器和第二比较器输出实时比较的结果。

进一步地，所述第一感光检测模块的输出端连接所述第一比较器的正输入端，所述第二感光检测模块的输出端连接所述第二比较器的负输入端，所述第三感光检测模块的输出端连接所述第一比较器的负输入端，所述第四感光检测模块的输出端连接所述第二比较器的正输入端，当感光检测模块上有光源照射时，其输出为低电平，当感光检测模块上没有光源照射时，其输出为高电平。

进一步地，所述芯片用于测试码盘的转速，所述码盘边缘包括N个彼此之间间距相等的通光孔，且各个通光孔到码盘转轴的距离相同，所述通光孔之间的部位为遮光块，所述通光孔和遮光块的形状大小相同，四个感光检测模块的总面积等于所述码盘上一个通光孔和遮光块的总面积；所述芯片固定于待测速码盘边缘的通光孔和遮光块下方，当所述码盘转动时，其边缘上的通光孔依次通过所述芯片的上方；当第一检测感光模块和第二检测感光模块位于通光孔处，第三检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为低电平，所述第二输出信号为高电平；当第二检测感光模块和第三检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为高电平，所述第二输出信号为高电平；当第三检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第二检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为高电平，所述第二输出信号为低电平；当第一检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第二检测感光模块和第三检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为低电平，所述第二输出信号为低电平，其中，N为大于等于4的整数。

进一步地，所述码盘的转速为

其中，f₁为第一输出信号或者第二输出信号的频率，R为码盘上通光孔与其转轴的距离，N为码盘上通光孔的个数。

本发明的有益效果为：本发明采用四个相同且相邻的感光检测模块与两个比较器的输入端分别相连，通过两个比较器的输出结果判断出输出信号的频率，进一步计算出码盘的转速，该计算方法简单快捷；并且本发明中的光电测速芯片结构简单、成本低廉，可广泛适用于各种测速场合，尤其适用于CMOS工艺下需要测速的装置中。

附图说明

图1为本发明一种光电测速芯片的具体电理图。

图2为本发明中感光检测模块的具体电路图。

图3为本发明中的光电测速芯片在码盘中的安装位置。

图4为本发明中的光电测速芯片在码盘中应用的平视图。

图5为本发明中光电测速芯片的输出波形图。

图6为本发明中的时序控制模块的输出时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图1所示，本发明提供的一种光电测速芯片，包括依次相邻的第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，且上述四个感光检测模块的形状大小相同，用于将入射光的光强变化转换为电压变化。本发明中的光电测速芯片还包括第一比较器、第二比较器、时序控制模块和压控振荡器；压控振荡器输出端连接时序控制模块，用于产生芯片上的时钟信号，时序控制模块输出控制信号Ⅰ和控制信号Ⅱ，控制信号Ⅰ同时连接第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，控制信号Ⅱ同时连接第一比较器和第二比较器，第一感光检测模块和第三感光检测模块的输出端分别连接所述第一比较器的正负输入端，所述第二感光检测模块和第四感光检测模块的输出端分别连接所述第二比较器的正负输入端，第一比较器的输出端输出第一输出信号，第二比较器的输出端输出第二输出信号。值得说明的是，本发明中具体连接方式可以为：第一感光检测模块的输出端连接第一比较器的正输入端，第二感光检测模块的输出端连接第二比较器的负输入端，第三感光检测模块的输出端连接第一比较器的负输入端，第四感光检测模块的输出端连接第二比较器的正输入端，也可以使得第一感光检测模块和第三感光检测模块的连接位置相反等等，具体只需要保证第一感光检测模块和第三感光检测模块连接一个比较器的两个输入端，第二感光检测模块和第四感光检测模块连接另外一个比较器的两个输入端即可。

请继续参考附图1，本发明中压控振荡器的输入端连接正温度系数电压发生器。本发明中压控振荡器用于产生高频时钟，用于控制时序控制模块产生相应的时序控制信号。正温度系数电压发生器用于产生一个随温度呈正相关变化的电压。该电压作用于压控振荡器，使压控振荡器产生一个与温度变化不敏感的时钟信号。

如附图2所示，本发明中第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块的结构相同，均包含光电二极管PD、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和电流源I₀，其中，光电二极管的阴极与电源负极相连，阳极与第一NMOS管的漏极相连；第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极和第三NMOS管的栅极相互连接；第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的漏极均与电源正极相连；第三NMOS管的源极与电流源的正极相连并作为的感光检测模块的输出端；电流源的负极与电源负极相连。其中，M1、M2、M3的源极和漏极可以互换。

请继续参考附图1和附图2，本发明中控制信号Ⅰ包括S1控制信号和S2控制信号，S1控制信号分别连接第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第一NMOS管的栅极；S2控制信号分别连接第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第二NMOS管的栅极；控制信号Ⅱ同时连接第一比较器和第二比较器。其中，本发明中第一比较器和第二比较器具有输出保持功能，当控制信号Ⅱ为低电平时，第一比较器和第二比较器输出保持之前的输出，当控制信号Ⅱ为高电平时，第一比较器和第二比较器输出实时比较的结果。

请参阅附图3和附图4，本发明中芯片用于测量码盘的转速，码盘具有转轴以及以转轴为圆心的圆周盘，在码盘的边缘位置具有N个通光孔202，其中，N为大于等于4的整数，N个通光孔彼此之间间距相等，且各个通光孔到码盘转轴的距离相同，通光孔之间的部位为挡光快201，通光孔和遮光块的形状大小相同。本发明中的芯片安装在码盘边缘通光孔和遮光块的下方，当码盘开始转动的时候，码盘边缘的各个通光孔依次通过芯片的上方。本发明中由于四个感光检测模块的总面积等于码盘上一个通光孔和遮光块的总面积，由于四个感光检测模块的面积相同，通光孔和遮光块的面积也相同，所以，本发明中两个感光检测模块的面积等于遮光块或者通光孔的面积，这也就是说，当码盘转动的过程中，由于光电测速芯片安装在码盘通光孔和遮光块的下方，光电测速芯片中总是只有两个感光检测模块位于通光块的下方，另外两个感光检测模块位于遮光块的下方。

请参阅附图3、附图4和附图5，当感光检测模块上有光源照射时，其输出为低电平，当感光检测模块上没有光源照射时，其输出为高电平。当第一检测感光模块和第二检测感光模块位于通光孔处，第三检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，第一输出信号为低电平，第二输出信号为高电平；当第二检测感光模块和第三检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，第一输出信号为高电平，第二输出信号为高电平；当第三检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第二检测感光模块位于遮光块处时，第一输出信号为高电平，第二输出信号为低电平；当第一检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第二检测感光模块和第三检测感光模块位于遮光块处时，第一输出信号为低电平，第二输出信号为低电平。因此，当码盘转动起来的时候，芯片中的第一输出信号的第二输出信号的变化周期如附图5所示。

这样一来，码盘的转速为

其中，f₁为第一输出信号或者第二输出信号的频率，R为码盘上通光孔与其转轴的距离，N为码盘上通光孔的个数。另外，当码盘和芯片的安装位置固定时，通过第一输出信号和第二输出信号的先后，可以获得码盘转动的方向。根据上述芯片的工作原理，第一输出信号与第二输出信号的频率和每一次输出的时长均相同，如附图5中所示。

如附图6所示，时序控制模块在t₁时刻，S₁控制信号为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平；在t₂时刻，S₁控制信号由高电平变为低电平，同时，S₂控制信号由低电平变为高电平，控制信号Ⅱ继续保持低电平；在t₃时刻，S₂控制信号由高电平变为低电平，同时，控制信号Ⅱ由低电平变为高电平，S₁控制信号继续保持低电平；在t₄时刻，控制信号Ⅱ由高电平变为低电平，S₁控制信号由低电平变为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平，重复上述步骤。我们定义：t₁时刻到t₄时刻的时间间隔为时序控制模块的一个周期，由上述芯片的工作原理可知，本发明中芯片的第一输出信号和第二输出信号的每次输出时长均是相同的，且每次的输出时长与码盘的转速有关系。本发明中时序控制模块的周期为第一输出信号或第二输出信号时长的1/X，其中，X为正整数，也就是说，本发明中时序控制模块的周期小于第一输出信号或者第二输出信号的每次输出时长。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光电测速芯片，其特征在于，所述芯片包括依次相邻的将入射光的光强变化转换为电压变化的第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，且上述四个感光检测模块的形状大小相同；所述芯片还包括第一比较器、第二比较器、时序控制模块和压控振荡器；所述压控振荡器输出端连接所述时序控制模块，用于产生所述芯片上的时钟信号，所述时序控制模块输出控制信号Ⅰ和控制信号Ⅱ，所述控制信号Ⅰ同时连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块，所述控制信号Ⅱ同时连接所述第一比较器和第二比较器，所述第一感光检测模块和第三感光检测模块的输出端分别连接所述第一比较器的正负输入端，所述第二感光检测模块和第四感光检测模块的输出端分别连接所述第二比较器的正负输入端，所述第一比较器的输出端输出第一输出信号，所述第二比较器的输出端输出第二输出信号，且所述第一输出信号和第二输出信号的频率和时长均相同；

其中，所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块的结构相同，均包含光电二极管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和电流源；所述控制信号Ⅰ包括S1控制信号和S2控制信号，所述S1控制信号分别连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第一NMOS管的栅极；所述S2控制信号分别连接所述第一感光检测模块、第二感光检测模块、第三感光检测模块和第四感光检测模块中第二NMOS管的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述压控振荡器的输入端连接正温度系数电压发生器，所述正温度系数电压发生器用于为所述压控振荡器提供与芯片上温度正相关的控制电压。

3.根据权利要求1所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述光电二极管的阴极与电源负极相连，阳极与所述第一NMOS管的漏极相连；所述第一NMOS管的源极与所述第二NMOS管的源极和第三NMOS管的栅极相互连接；所述第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的漏极均与电源正极相连；所述第三NMOS管的源极与所述电流源的正极相连并作为所述的感光检测模块的输出端；所述电流源的负极与电源负极相连。

4.根据权利要求3所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管的源极和漏极可以互换。

5.根据权利要求1所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述时序控制模块在t₁时刻，S₁控制信号为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平；在t₂时刻，S₁控制信号由高电平变为低电平，同时，S₂控制信号由低电平变为高电平，控制信号Ⅱ继续保持低电平；在t₃时刻，S₂控制信号由高电平变为低电平，同时，控制信号Ⅱ由低电平变为高电平，S₁控制信号继续保持低电平；在t₄时刻，控制信号Ⅱ由高电平变为低电平，S₁控制信号由低电平变为高电平，S₂控制信号和控制信号Ⅱ为低电平，重复上述步骤，其中，所述t₁时刻到t₄时刻的时间间隔为时序控制模块的周期，所述时序控制模块的周期为所述第一输出信号或第二输出信号时长的1/X，其中，X为正整数。

6.根据权利要求5所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器具有输出保持功能，当控制信号Ⅱ为低电平时，所述第一比较器和第二比较器输出保持之前的输出，当控制信号Ⅱ为高电平时，所述第一比较器和第二比较器输出实时比较的结果。

7.根据权利要求1所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述第一感光检测模块的输出端连接所述第一比较器的正输入端，所述第二感光检测模块的输出端连接所述第二比较器的负输入端，所述第三感光检测模块的输出端连接所述第一比较器的负输入端，所述第四感光检测模块的输出端连接所述第二比较器的正输入端，当感光检测模块上有光源照射时，其输出为低电平，当感光检测模块上没有光源照射时，其输出为高电平。

8.根据权利要求7所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述芯片用于测试码盘的转速，所述码盘边缘包括N个彼此之间间距相等的通光孔，且各个通光孔到码盘转轴的距离相同，所述通光孔之间的部位为遮光块，所述通光孔和遮光块的形状大小相同，四个感光检测模块的总面积等于所述码盘上一个通光孔和遮光块的总面积；所述芯片固定于待测速码盘边缘的通光孔和遮光块下方，当所述码盘转动时，其边缘上的通光孔依次通过所述芯片的上方；当第一检测感光模块和第二检测感光模块位于通光孔处，第三检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为低电平，所述第二输出信号为高电平；当第二检测感光模块和第三检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第四检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为高电平，所述第二输出信号为高电平；当第三检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第一检测感光模块和第二检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为高电平，所述第二输出信号为低电平；当第一检测感光模块和第四检测感光模块位于通光孔处，第二检测感光模块和第三检测感光模块位于遮光块处时，所述第一输出信号为低电平，所述第二输出信号为低电平，其中，N为大于等于4的整数。

9.根据权利要求8所述的一种光电测速芯片，其特征在于，所述码盘的转速为

其中，f₁为第一输出信号或者第二输出信号的频率，R为码盘上通光孔与其转轴的距离，N为码盘上通光孔的个数。

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