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在光电编码器的里圈里还有一条透光条纹C（零标志刻线），用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准（）
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第1题
在光电编码器的里圈里还有一条透光条纹 C(零标志刻线) ，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。()
第2题
增量式与绝对式光电编码器及应用检测
实验目的
通过实验演示使学生了解增量式和绝对式光电编码器的基本原理及在仪器等方面的应用，以便为以后解决工程实际问题打下基础。
实验内容
(1)熟悉增量式光电编码器的基本原理及用法
(2)熟悉绝对式光电编码器的基本原理及用法
实验使用仪器器材
(1)双踪示波器 1台
(2)直流稳压电源 2台
(3)MC型光电脉冲发生器 2台
(其中MCY-1型手摇脉冲发生器与MCZ-2型主轴脉冲发生器各1台)
(4)绝对式光电编码器(QDB9型) 1台
(5)万用表 1台
(6)可逆计数器或数显 1台
实验原理及线路
1．增量式光电编码器
增量式光电编码器，实质是一种光栅变换装置。所谓光栅，实际上就是刻线间距很小的标尺或度盘。它的主要特点是，间距小，线条长，并且线条和缝隙是等宽的。从光栅载体的形状分长光栅和圆光栅。下图所示为两种计量光栅的示意图。其中图(a)为刻划光栅，即在平面度很高的光学玻璃上，用真空镀膜的方法蒸镀很薄的金属膜，并在金属膜上用钻石刀压削或刻制的方法制成大量等间距的线条，线条部分透光而形成光栅。图(b)所示为用蜡腐蚀或照相腐蚀的方法制成的黑白光栅。通常，计量光栅的黑白线条等宽，光栅的节距(光栅常数)为等间隔的。
(1)光栅莫尔条纹
光栅在精密计量和自动控制等方面的应用，大多是利用两块光栅迭合时产生的莫尔条纹效应。所谓莫尔条纹，即当两块相同光栅以微小倾角重迭时，在与栅线大致垂直的方向上所出现的明暗相同的粗条纹，如下图所示。在a-a线上透光面积最大，形成条纹的亮带；在b-b线上光线互相挡住，形成条纹的暗带。假设光栅节距为d，两光栅的栅线交角为θ，条纹间隔(宽度)为m，则它们之间的关系为
一般，θ角很小，故上式可简化为
从条纹图形可以看出，莫尔条纹的位置在两块光栅刻线夹角θ的补角(180°-θ)的平分线上。当两块光栅相对移动时，莫尔条纹就在光栅移动的垂直方向，即臼角的平分线上移动。光栅相对移动一个栅距，则莫尔条纹移动一个间隔(即一个条纹)。所以，只要计测条纹移动的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即
L=nq(24-3)
式中，q=d为量化单位，表示每条纹长度量。
下图为长光栅莫尔条纹装置示意图，它将长度量变换为莫尔条纹信号。长光栅副包括指示光栅和标尺光栅，一般指示光栅固定，它同光源、透镜、狭缝、光电器件和前置放大器都装在光电读数头内。标尺光栅的长度由位移长度决定，一般较长，所以它在平滑移动时可以减少晃动。莫尔条纹信号通过狭缝由光电器件接收，其输出光电信号近似正弦波。为判别光栅移动方向，与激光干涉法一样，至少有两路光电接收器，两路光电信号的相位差为π/2，即其中一路为sinθ，另一路为cosθ。
圆光栅变换装置示意图，如下图所示。同样，圆光栅副包括指示光栅和圆光栅盘。圆光栅盘是在一块圆玻璃盘上，等间隔地刻线制成。圆光栅和指示光栅重叠，便产生莫尔条纹。圆光栅盘固定在转轴上，因此这种装置可以将轴旋转的角度量，变换为莫尔条纹信号。光栅盘上每一条刻度线，表示一个角度增量即量化单位。当光栅转盘每旋转一条刻度线时，莫尔条纹将变化一次。这样，通过计算莫尔条纹的变化次数n，便可以计算出转轴旋转的角度θ，即
θ=qn (24-4)
式中，q为量化单位，表示每条纹的角度量。
(2)莫尔条纹法进行位移测量的优点
用莫尔条纹法进行位移一数字量变换有如下优点。
①位移量的放大作用
我们将莫尔条纹间隔与光栅距之比，称为光栅副的放大倍数(率)α，对于微小倾角有
假设θ=8'，则α=450，对于每毫米50条线的光栅，莫尔条纹宽度可达9mm。所以说光栅副起到一只高质量“放大器”作用，可将微小变化合理放大，获得信噪比很大的稳定输出。
②误差的平均效应
光电器件接收的光信号，是进入指示光栅视场的刻线数n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为σ0时，则由于平均效应，光电器件输出的总误差为
例如，对于d=0.02mm的光栅副，用长为10mm的硅光电池接收，在视场内同时有500根线工作。若单根线的误差为±1μm，则光电池输出的平均误差仅为±0.04μm。
2．绝对式光电编码器
(1)绝对式光电轴角编码器的结构与原理
下图是光电轴角编码器的结构示意图。来自光源1的光束通过透镜2变成平行光束照射到编码盘3上，通过透光板4上确定位置的若干光孔，输出一条窄细的光束被几个光电元件5接收。根据码盘的不同位置，各光束分别编码转换为电信号后，由解码器6与输出电路7，输出表示角度位置的数字信号。
码盘上根据检测精度需要的位数N，光刻加工出相应的N条码道，用透光和不透光的方法表示各位置处代码的“1”和“0”状态。下图(a)是自然二进制码盘的图案(表中的B表示了它们的编码规律)，在图中黑点的位置上装置光电读数头，码盘内侧表示高位。在如图的举例中，码道N=4，最高位数为24=16个角度位置。
自然二进制码虽然简单，但存在着使用上的问题，这就是由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。例如，在由7转换到8的位置时，光束要通过码盘0111和1000的交界处(或称渡越区)。因为码盘的工艺和光敏元件安装的误差，有可能使读数头的最内圈(高位)定位位置上的光电元件比其余的超前或落后一点，这将导致可能出现两种极端的读数值，即1111或0000，从而引起读数的粗大误差，这种误差是绝对不能允许的。
(2)格雷码与自然二进制码的转换
为了避免这种误差，采用了格雷码(Groy code)图案的码盘[上图(b)]，下表给出了格雷码和自然二进制码的比较。
| 自然二进制码和格雷码的比较 | ||
| D(十进制) | B(二进制) | R(格雷码) |
| 0 | 0000 | 0000 |
| 1 | 0001 | 0001 |
| 2 | 0010 | 0011 |
| 3 | 0011 | 0010 |
| 4 | 0100 | 0110 |
| 5 | 0101 | 0111 |
| 6 | 0110 | 0101 |
| 7 | 0111 | 0100 |
| 8 | 1000 | 1100 |
| 9 | 1001 | 1101 |
| A(10) | 1010 | 1111 |
| B(11) | 1011 | 1110 |
| C(12) | 1100 | 1010 |
| D(13) | 1101 | 1011 |
| E(14) | 1110 | 1001 |
| F(15) | 1111 | 1000 |
由表中可以看出，格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时，字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点。而自然二进制则不同，代码经常有2～3位甚至4位数值同时变化的情况。这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位(最小分辨率)的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离性码(unit distance code)，是实用中常采用的方法。
格雷码转换为自然二进制码，要作相应的变换，设二进制码中的某位的位数为K，(K=1，2，3，4，…，n)，该位的自然二进制码的符号为BK(可取0，1值)，该位的格雷码符号为GK，则格雷码和自然码
之间的关系为：
BK-1=GK-1·
上式是“异或”逻辑电路的数学关系，因此可用标准的“异或”电路，将格雷码转换为自然二进制码，如下图(b)所示。图(a)是“异或”电路的真值表，它满足式(24-7)的逻辑关系。如图(b)所示，为了得到某一位的自然二进制码，只要将高一位的已经计算出的(或者在最高位时的“0”状态)自然二进制码的值和本位的格雷码值，输入到“异或”电路中即可。K-1个“异或”电路，可以进行K位的二进制代码的变换。
实验设备及线路
1．增量式光电编码器
增量式光电编码器实际上就是一种光电脉冲发生器。如MC型光电脉冲发生器，它是由圆光栅及光电整形放大电路等组成的。现简介如下：
(1)用途
MC型光电脉冲发生器，分MCY型手摇脉冲发生器和MCZ型主轴脉冲发生器两种。
MCY型脉冲发生器发出矩形脉冲，主要用作数字程序控制机床的给定信号。
MCZ型光电脉冲发生器，用于检测各种设备，仪器的旋转角，轴的角速度和角加速度以及通过机械传动部件转换成直线位移的测量，其输出为脉冲信号。
如配置可逆计数器也可作为数字显示装置的检测元件。
(2)主要技术参数
①MCY 1手摇脉冲发生器
输出信号通道： A，B两路
脉冲数： A—100/转
B—100/转
相位差： 近似1/4周期
波形： 正矩形脉冲
输出高电平： 近似+5V
输出低电平： 近似+0.3V
电源电压： +5V，-3V
灯源电压： +5V
灯泡： 2.1～3W/6V
外形尺寸：
重量： 1.2kg
②MCZ—2主轴脉冲发生器
输出信号通道： A，B两路
输出波形： 正矩形脉冲空载时上升、下降延迟时间≤2μs
输出波形相位差： 1/4周期
输出高电平： ≥11V
输出低电平： ≤2V
主轴最高转速： 1600r/min
最高重复频率： 30kHz
负载能力： ≥10mA
外接电源： +12V，150mA
重量： 0.8kg
外形尺寸：
输出脉冲系列： 64，100，200，250，360，500，600，720，800，900，
1000，1024，1200
(3)结构原理
MC型光电脉冲发生器，是由灯泡发光二极管，聚光透镜，光电盘，光阑板，光敏三极管和光电整形放大电路所组成，如下图所示。
光源所发出的光线经聚光镜聚光后发射出平行光。
光电盘和光栏板是用玻璃材料经研磨，抛光制成，玻璃表面真空镀上一层不锈钢的铬层，透光条纹是用照相腐蚀法制成。
手摇脉冲发生器光电盘透光条纹，圆周等分为100条。
主轴脉冲发生器光电盘透光条纹，圆周等分为脉冲系列数条纹和零脉冲条纹二行。
光栏板的透光条纹宽度应小于光电盘的不透光条纹宽度。
手摇脉冲发生器光栏板透光条纹有A、B两条，如下图所示。
光栏板每一透光条纹后面，安置光敏三极管一个，构成一条信号输出通道。
当主轴带动光电盘一起转动时，光敏管就接收到光线亮暗变化的信号，引起了光敏管所通过的电流大小发生变化，这变化的信号是电流，经光电整形放大电路后输出正向矩形脉冲。
当光栏板透光条纹A与光电盘任一透光条纹重合时，则光栏板透光条纹B与光电盘另一透光条纹的重合性错开1/4周期，因此A、B二通道输出波形相位，也相差1/4周期。
手摇脉冲发生器的手轮刻度与任一通道的脉冲数相对应。
手摇脉冲发生器、主轴脉冲发生器的电子线路部分分别如下面两个图所示。
手摇脉冲发生器的接线编号：2——+5V；4——3V；10——0电平；13——输出A；16——输出B；18——输出C。
主轴脉冲发生器的插脚编号：1——+12V；2——C(具有零脉冲输出)；3——方波A；4——0电平；5——方波B；6——脉冲A'(具有辨向脉冲输出)；7——脉冲B'。
(4)仪器的安装、使用注意事项
①脉冲发生器灯泡电源，直接焊接在灯座上，为了延长灯泡的使用寿命故采用降压使用，灯座电压在灯头位置应保持5V。
②各通道的输出脉冲宽度，可用相对应的电位器条件。
③产品0V电源与外壳浮置是否需要当地连接，由用户自己决定。
④为了防止光电盘与光阑板之间摩擦损坏，安装时轴系必须严格同心，不应存在松紧现象。
⑤两种光电脉冲发生器的安装尺寸如下面两个图所示。
2．绝对式光电编码器
(1)用途
QDB9型光电编码器是一种高精度的将轴转角变为编码电信号的仪器。即依靠光电转换方法将属输入的机械量——轴转角转换成相应的数字量。它适用于数字控制机的模拟——数字转换装置和随动系统中。它具有精度高、结构简单紧凑，可靠性好等特点，因而广泛用于自动控制仪器及系统中。如它是近代国防雷达跟踪观测装备及炮瞄指挥仪等的重要部件。
(2)仪器的结构及工作原理
①结构：本仪器可分为如下几部分：
A．光源：直流供电，电流300mA，限流电阻5.1Ω，发光管采用的是2GI红外发光二极管。
B．编码盘：编码盘上有九个数字码盘和一个通圈，是用照相镀铬法制成的。在同一位码道上印制成黑白等间隔的图案，以形成二进制循环码。
C．读出系统：光电转换原件是10支3DU2C型光电三极管。每只管子对准一条码道。
D．轴系：是主触和高精度的滚动轴承等组成，具有较高的置中精度，启动力矩小等特点。
E．电路系统：采用双面印刷电路板，PMOS集成电路。它具有放大整形，译码的功能，最后输出电平信号形成自然二进制码，(电路原理如下图所示)。
②仪器的工作原理：(如下图所示)
A．光电转换原理：
由发光二极管(2GL)所发出的红外光，经过编码盘和狭缝，照射到光敏元件(3DU2C)上，由于编码图案每位都是一些等间隔的透光部分和不透光部分所组成。所以当码盘转到某一位置时，有的光敏元件接收了光照射，有的不受光照射。受光照射者为“有”记为“1”，不受光照射者为“无”记为“0”。这样，对于轴的任意位置，通过输出的信号就会得到由“1”和“0”组成的九位数字(通圈除外)例如：010011001；101101001；001101010；等这样的九位数字。在0～360°范围内共有512个(二进制循环码)。
B．电路工作原理：
光电三极管输出的信号，经过放大整形电路，使波形变成大小幅度比较一致的矩形波。再经过译码电路进行逻辑运算，最后输出电平信号(自然二进制码)。
(3)主要技术参数及规格
①测量范围： 0～360°
②码制： 0～360°范围内，输出512个自然二进制码
③最大综合码误差： 20'
④角分辨率： 42'11"
⑤自然二进制码信号输出：在光源电压1.5mV、300mA，偏压±12V，常温条件下
高电平：≥+10V
低电平：≤0V
输出波形：矩形波
⑥启动力矩： ≤20g·cm
⑦最大转速： 200r/min
⑧红外发光二极管的寿命：≥5000h
⑨仪器外形尺寸：
轴头尺寸：
⑩重量： 约1kg
(4)仪器的安装使用及注意事项
①仪器的安装：(参考下图)
A．仪器在安装时，须靠外圆定位面
B．主轴与被测轴连接时要求同心，平行，偏心不大于0.05mm，不平行度不大于0.05mm。
②接线顺序：
本仪器采用CD1—15—J型插头座，接线顺序为光源()、光源(-)、偏压(12V)、偏压(-12V)，各点位(从里圈到最外圈，包括通圈)接地共15条线，详见下表所示的接线表。
| QDB9型光电编码器接线顺序表 | |
| 脚 号 | 接 线 |
| 1 | 光源() |
| 2 | 光源(-) |
| 3 | 偏压(12V) |
| 4 | 偏压(-12V) |
| 5 | 第一位 |
| 6 | 第二位 |
| 7 | 第三位 |
| 8 | 第四位 |
| 9 | 第五位 |
| 10 | 第六位 |
| 11 | 第七位 |
| 12 | 第八位 |
| 13 | 第九位 |
| 14 | 通圈 |
| 15 | 接地 |
③电路注意事项
由于发光二极管正向伏安特性很陡，如果电压稍有变化，就能引起电流很大变化，所以，在调整发光二极管工作点时，必须注意电流的变化，使他不得超过规定值。
④为确保仪器的正常运行，正式使用前应该对编码器程序进行检测。
第3题
第9题
线阵CCD的原理及驱动
实验目的
(1)掌握用双踪示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。
(2)通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲在ccD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，以及电荷转移的过程。
实验前准备内容
(1)阅读实验指导书，了解实验目的及内容；
(2)学习线阵CCD的基本工作原理(参考《光电检测技术》教材第5章第4节有关内容)，阅读双踪示波器的使用说明书。
(3)学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图(参考附录)。
(4)掌握双踪示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。
实验所需仪器设备
(1)双踪同步示波器(带宽50MHz以上)一台。
(2)彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD-IV一台。
(3)万用表一台。
实验内容
1．驱动脉冲相位的检测
根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1(CR1)、F2(CR2)的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程；观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。
2．驱动频率和积分时间的检测
测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值，以及它的行周期(FC)值，理解线阵CCD的驱动频率、周期与积分时间的关系。
3．CCD输出信号的检测
检测CCD的输出信号，观测积分时间、SH与FC信号波形等同CCD的输出信号间的关系。
实验基本原理
CCD的基本结构是MOS(金属一氧化物一半导体)电容结构。它是在半导体P型硅(Si)作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约100nm～150nm的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一层金属(如铝)，在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压)，就构成了一个MOS电容器。所以，CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。其基本工作原理有如下的三个过程：
1．光电转换
当有光线投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅(Si)衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，从而形成电子—空穴对，这种电子—空穴对在外加电场的作用下，就会分别向电极两端移动，因而产生光生电荷，即将光信号转换为电信号。
对于Si材料来说，因其Eg=1.12eV，所以其上限截止波长为λc=1.11μm。也就是说，波长小于和等于1.11μm的光子能使硅衬底中的价带电子跃入导带，产生电子—空穴对；而大于1.11μm波长的光子则会穿透半导体层而不起作用。对于不同的衬底材料，将具有不同的Eg值，因而器件将具有不同的光谱特性，从而可适用于不同的场合。
2．电荷存储
由上述知，构成CCD的基本单元是MOS结构。如下图(a)所示，在栅极G施加正偏压UG之前，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG(此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图(b)所示。如偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当UG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势，用ΦS表示)变得如此之高，以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的(约10-2μm)但电荷浓度很高的反型层，如图(c)所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
电子之所以被加有栅极电压UG的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如
Q=COXUG·A (8-1)
3．电荷转移
为了理解在CCD中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置，可参见下图。取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察。若开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压(例如2V)。设图(a)为零时刻(初始时刻)，过t1时刻后，各电极上的电压变为如图(b)所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。即原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图(b)和(c)。若此后电极上的电压变为图(d)所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图(e)。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。上图所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷传输方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐单元地转移。
值得指出的是，我们通常所说的CCD的位数的位，不是这里的一个栅电极。对三相CCD来说，电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，我们把这三个栅电极称之为CCD的一个单元，或CCD的一位，也就是我们通常所说的一个像元；显然，对二相CCD来说，就是二个栅电极为一位；对四相CCD则一位是四个栅电极了，所以千万不能混淆。
需要强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。如电极间隙比较大，则两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，而不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极平滑地转移。这样，CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作。能够产生电荷完全耦合(这就是电荷耦合器件名称的由来)条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3μm，这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够小的。
以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率(单位场强下的运动速度)远大于空穴的迁移率，因此，N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。
实际上，目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器。空间电荷区(即耗尽区)对带负电的电子而言、是一个势能特别低的区域，因此也称之为势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中，势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，势阱容量与所加栅压近似成正比。
光敏二极管和MOS电容器相比，光敏二极管具有灵敏度高，光谱响应宽，蓝光响应好，暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD的基本功能。
4．CCD的外围驱动电路
CCD需要外围驱动电路才能工作，现以日本东芝生产的线阵2048位TCD142D为实例作一介绍。TCD142D器件为二相CCD：需要相差180°的二路驱动脉冲
值得注意的是，由于结构上的安排，器件的OS输出端首先输出12个虚设单元的脉冲，再输出51个暗信号脉冲后才连续输出2048个信号脉冲，最后输出11个暗电流脉冲，接下去输出多余无信号脉冲。由于该器件是两列并行传输，所以在一个
TCD142D的外围驱动电路原理框图如下图所示。
由图可知，由晶体振荡器输出频率为4MHz的方波脉冲，经J·K触发器分频得到频率为2MHz的方波脉冲，将4MHz与2MHz脉冲相与即经
TCD142D的驱动电路如下图所示。
