专利名称：电子细分割装置及应用该电子细分割装置的测量系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种电子细分割装置及测量系统，特别是有关于一种仅利用双比较器缩小输入信号的周期的电子细分割装置及测量系统。
背景技术：
图1a显示感测装置的输出信号。不论任何型式的位置或角度感测装置(磁性尺、光学尺、雷射干涉仪...等)均会输出二个具相位差的弦波信号作为电子电路处理读头位置变化的依据。如图1a所示，假设，感测装置所输出的弦波信号为SIN及COS。
感测装置的输出信号的周期与感测装置所能解析的最小距离有关。为了提高感测装置的分辨率，则需缩小输出信号的周期。习知解决方法有二，一是利用高精密度的元件组成感测装置，但高精密度的元件成本相当的高。另一提高感测装置的分辨率的方法是利用电子细分割装置，缩小感测装置所产生的弦波信号周期。
图1b为图1a未经电子细分割的信号。图1c为图1a经10倍电子细分割后的信号。如图1c所示，电子细分割装置将感测装置的输出信号分割成10个脉冲信号，使得感测装置输出信号的周期变小。图1b与图1c的输出方波分别称为A、B及A′、B′。
图2显示习知电子细分割装置的方块图。如图所示，电子细分割装置20包括电阻炼阵列22、比较器阵列24及处理电路26。电阻炼阵列22接收±sinθ及±cosθ；其中sinθ及cosθ为感测装置的输出信号，将感测装置的输出信号反相后即可得-sinθ及-cosθ。电阻炼阵列22改变±sinθ及±cosθ的相位，用以产生2N个相位差为Δ的弦形；其中，N为电子细分割的倍率。假设，电子细分割的倍率为10时，则电阻炼阵列22将输出20个相位差为Δ的弦波。
比较器阵列24将2N个相位差为Δ的弦波转换成2N个数字信号予处理电路26。处理电路26再输出如图1c所示的方波信号A′与B′。
其中，由于比较器阵列24是将2N个弦波转换成数字信号，因此，当电阻炼阵列22将输出20个相位差为Δ的弦波时，则比较器阵列24需20个比较器。当电子细分割的倍率愈大时，则比较器的数量也就愈多，造成电子细分割的电路结构体积庞大，而无法将电子细分割装置与感测装置的读头结合。除此之外，在电路集成化时，大量的比较器占据大部分的布局面积，进而增加成本，不利于市场竞争。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种测量系统，将电子细分割装置与感测装置结合，用以提高感测装置的分辨率。
本发明的另一目的在于提出一种电子细分割装置，减少比较器的数量，使得电子细分割装置的体积缩小。
为达到上述目的，本发明提供一种测量系统，包括感测装置以及电子细分割装置。感测装置，根据一待测物的位置变化，输出具相位差的弦波信号。而电子细分割装置，包括相移单元、选择单元、第一比较单元、第二比较单元、控制单元以及波形产生单元。相移单元，根据感测装置的输出信号，产生并输出第1级至第n级弦波信号；其中，任相邻两级信号间具有相同的相位差。选择单元，由上述第1级至第n级信号中选择切换适当的弦波信号输出，作为选择单元的第一及第二输出信号。第一比较单元，耦接第一输出信号，并将其转换为第一数字信号；当感测装置沿第一方向移动时，上述第一比较单元的输出由第一位准变化至第二位准。第二比较单元，耦接第二输出信号，并将其转换为第二数字信号；当上述感测装置沿第二方向移动时，第二比较单元的输出由第二位准变化至第一位准。控制单元，依据第一及第二比较单元的输出，而驱动选择单元输出第一及第二输出信号。波形产生单元，耦接第一及第二比较单元的输出，而输出细分割波形信号对A与B。
本发明借由双比较单元，便可将感测装置的输出信号周期缩小，而引证案的比较器数目则依电阻炼阵列所产生的弦波信号数目而定。假设，感测装置的输出信号的相位相差90°，若使用10倍的细分割装置缩小感测装置的输出信号周期，则引证案需20个比较器；但本发明只需使用两个比较器，便可达到相同功能。


图1a显示感测装置的输出信号；图1b为图1a未经电子细分割的信号；图1c为图1a经10倍电子细分割后的信号；图2显示习知电子细分割装置的方块图；图3显示本发明的测量系统的方块图；图4为本发明的第一及第二比较单元的输出信号。
符号说明20、30～电子细分割装置22～电阻炼阵列24～比较器阵列26～处理电路
31～相移单元32～选择单元33a～第一比较单元33b～第二比较单元34～控制单元342～第一缓存器344～第二缓存器346～搜寻缓存器348～多任务器35～波形产生单元36～判断单元40～感测装置具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下图3显示本发明的测量系统的方块图。如图所示，测量系统，包括电子细分割装置30及感测装置40。感测装置40，根据一待测物的位置变化，输出弦波信号±sinθ及±cosθ。其中，感测装置40为位置传感器(旋转编码器)或角度传感器(如磁性尺、光学尺、雷射干涉仪)。在本实施例中，假设，感测装置40为光学尺，其根据读头的位置变化，输出对应的弦波信号。
细分割装置30包括相移单元31、选择单元32、第一比较单元33a、第二比较单元33b、控制单元34、波形产生单元35以及判断单元36。
相移单元31，接收弦波信号±sinθ及±cosθ，产生并输出第1级至第n级信号相位差为Δ的弦波信号sinθ、sin(θ+Δ)、sin(θ+2Δ)、sin(θ+3Δ)、...、cosθ、cos(θ+Δ)、cos(θ+2Δ)、...。其中，相移单元31是由复数电阻组合而成的相移电阻阵列。
选择单元32，由第1级至第n级信号sinθ、sin(θ+Δ)、sin(θ+2Δ)、sin(θ+3Δ)、...、cosθ、cos(θ+Δ)、cos(θ+2Δ)、...中，选择切换适当的输出，作为选择单元32的第一输出信号S1及第二输出信号S2。
若选择单元32原本输出第k级及第k-1级信号(1＜k＜n)，当光学尺的读头往第一方向移动时，则选择单元32切换成输出第k+1级及第k级信号。若选择单元32输出第n级及第n-1级信号，当光学尺的读头往第一方向移动时，则选择单元32切换成输出第1级及第n级信号。若选择单元32输出第1级及第n级信号，当光学尺的读头往第一方向移动时，则选择单元32切换输出第2级及第1级信号。
若选择单元32原本输出第k+1级及第k级信号，当光学尺的读头往第二方向移动时，则选择单元32切换成输出第k级及第k-1级信号。若选择单元32输出第2级及第1级信号，当光学尺的读头往第二方向移动时，则选择单元32切换成输出第1级及第n级信号。若选择单元32输出第1级及第n级信号，当光学尺的读头往第二方向移动时，则选择单元切换成输出第n级及第n-1级信号。
第一比较单元33a，将第一输出信号S1转换为第一数字信号D1；当光学尺的读头往第一方向移动时(例如往一正方向)，第一比较单元33a的输出由第一位准变化至一第二位准。
第二比较单元33b，将第二输出信号S2转换为第二数字信号D2；当光学尺的读头往第二方向移动时(例如往一反方向)，第二比较单元33b的输出由第二位准变化至第一位准。
波形产生单元35，耦接第一数字信号D1及第二数字信号D2，而输出细分割波形信号A、B。
判断单元36，耦接第一数字信号D1及第二数字信号D2，用以判断光学尺的读头位置。
控制单元34，依据第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出，而驱动选择单元32，使其输出适当的第一输出信号S1及第二输出信号S2。
其中，控制单元34是由第一缓存器342、第二缓存器344、搜寻缓存器346及多任务器348所组成。
第一缓存器342及第二缓存器344，分别耦接第一数字信号D1及第二数字信号D2，用以依据光学尺的读头所移动的方向，透过多任务器348而驱动选择单元32，使得选择单元32输出适当的弦波信号。
搜寻缓存器346，耦接判断单元36的输出，根据光学尺的读头位置，透过多任务器348而驱动选择单元32。
当判断单元36侦测到第一数字信号D1及第二数字信号D2并未分别处于第一及第二位准时，多任务器348则将搜寻缓存器346的内容予以输出至选择单元32，使选择单元32依序切换第1级至第n级信号作为输出，直到判断单元36侦测到第一数字信号D1第二数字信号D2分别处于第一及第二位准。
为方便说明起见，假设，相移单元31输出第1级至第4级弦波信号sinθ、sin(θ+Δ)、sin(θ+2Δ)、sin(θ+3Δ)，透过比较器转换成如图4所示的数字信号，比较器的输出信号与光学尺的读头位置有一对一的关系。当读头位置改变时，在数字信号US0～US3中，仅有一数字信号的位准会随着改变。其中，US0代表sinθ的数字信号；US1代表sin(θ+Δ)的数字信号；US2代表sin(θ+2Δ)的数字信号；US3代表sin(θ+3Δ)的数字信号。同理，若相移单元31的所有弦波信号透过比较器转换成数字信号，当读头位置改变时，同时间仍只有一数字信号的位准会随着改变。
假设，光学尺的读头在位置2时，则选择单元32将弦波信号sin(θ+2Δ)及sin(θ+Δ)分别输出至第一比较单元33a及第二比较单元33b。则第一比较单元33a的输出信号如US2所示；第二比较单元33b的输出信号如US1所示。
当光学尺的读头由位置2往第一方向移动至位置3时，第一比较单元33a的输出信号US2由低位准改变至高位置。当光学尺的读头由位置2往第二方向移动至位置1时，则第二比较单元33b的输出信号US1由高位准改变至低位置。因此，借由第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出信号位准的改变，便可得知，光学尺的读头所移动的方向。
当第一比较单元33a的输出信号US2有一正缘变化时，则触发第一缓存器342，使其借由多任务器348改变选择单元32的输出。因此，选择单元32将弦波信号sin(θ+3Δ)及sin(θ+2Δ)分别输出至第一比较单元33a及第二比较单元33b。
当第二比较单元33b的输出信号US1有一负缘变化时，则触发第二缓存器344，使其借由多任务器348改变选择单元32的输出。选择单元32根据多任务器348的控制，将弦波信号sin(θ+Δ)及sinθ分别输出至第一比较单元33a及第二比较单元33b。
另外，当光学尺的读头位置与第一比较单元33a与第二比较单元33b相对应时，则第一比较单元33a与第二比较单元33b的输出信号位准不同；此时，即可借由第一比较单元33a与第二比较单元33b的输出位准变化判断光学尺的读头所移动的方向。当第一比较单元33a与第二比较单元33b的输出信号位准相同时，表示，选择单元32未输出正确的弦波信号。当判断单元36侦测到第一比较单元33a与第二比较单元33b的输出信号位准相同时，则触发搜寻缓存器346，使其借由多任务器348改变选择单元32的输出信号，以搜寻光学尺读头的位置。
在本实施例中，当第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出信号位准分别为低位准及高位准时，则表示选择单元32输出正确的弦波信号。当测量系统在关机时，未将光学尺的读头归回定位，则当测量系统再次启动后，第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出信号位准可能均为高位准或低位准。
若当判断单元36侦测出第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出信号位准均为高位准或低位准时，则判断单元36触发搜寻缓存器346。搜寻缓存器346根据CLK搜寻光学尺的读头位置，并借由多任务器348改变选择单元32的输出信号，直到判断单元36侦测出第一比较单元33a及第二比较单元33b的输出信号位准分别处于不同位准。
因此，波形产生单元35依据第一比较单元33a及第二比较单元33b输出的变化，便可产生经过细分割的波形信号A、B。
权利要求
1.一种测量系统，其特征在于所述测量系统包括一感测装置，根据一待测物的位置变化，输出复数弦波信号；一相移单元，接收上述弦波信号，产生并输出第1级至第n级信号；其中，上述任相邻两级信号间具有相同的相位差；一选择单元，接收上述第1级至第n级信号，用以由上述第1级至第n级信号中选择切换适当的输出，作为该选择单元的一第一及第二输出信号；一第一比较单元，耦接上述第一输出信号，并将其转换为一第一数字信号；当上述待测物沿一第一方向移动时，上述第一比较单元的输出由一第一位准变化至一第二位准；一第二比较单元，耦接上述第二输出信号，并将其转换为一第二数字信号；当上述待测物沿一第二方向移动时，上述第二比较单元的输出由上述第二位准变化至上述第一位准；一控制单元，依据上述第一及第二比较单元的输出，而驱动上述选择单元输出上述第一及第二输出信号；一波形产生单元，耦接上述第一及第二比较单元的输出，而输出一细分割波形信号对。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于所述测量系统更包括一判断单元，耦接上述第一及第二比较单元的输出，用以判断上述待测物的位置；其中，上述判断单元若侦测到上述第一及第二比较单元的输出并未分别处于上述第一及第二位准时，上述控制单元则驱动上述选择单元以选择适当的输出，直到上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出分别处于上述第一及第二位准。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于当上述待测物沿上述第一方向移动时。若原本选择单元的第一及第二输出信号为第k级及第k-1级信号(1＜k＜n)，则切换成选择上述第k+1级及第k级信号，作为上述第一及第二输出信号。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于当上述待测物沿上述第一方向移动时。若原本选择单元的第一及第二输出信号为第k+1级及第k级信号(1＜k＜n)，则切换成选择上述第k级及第k-1级信号，作为上述第一及第二输出信号。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述相移单元是为一相移电阻阵列。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于该感测装置是为一位置或角度传感器。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于该角度传感器是为磁性尺、光学尺或雷射干涉仪。
8.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于该位置传感器是为一旋转编码器。
9.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于上述控制单元包括一第一及第二缓存器，分别耦接上述第一及第二比较单元的输出，用以依据上述待测物的移动方向而驱动上述选择单元；一搜寻缓存器，耦接上述判断单元的输出；一多任务器，耦接上述第一及第二缓存器及搜寻缓存器的输出；当上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出并未分别处于上述第一及第二位准时，上述多任务器则将上述搜寻缓存器的内容予以输出至上述选择单元，使上述选择单元依序切换上述第1级至第n级信号作为输出，直到上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出分别处于上述第一及第二位准。
10.一种电子细分割装置，适用于具有一传感器的测量系统，其特征在于所述电子细分割装置，包括一相移单元，接收复数弦波信号，产生并输出第1级至第n级信号；其中，上述任相邻两级信号间具有相同的相位差；一选择单元，接收上述第1级至第n级信号，用以由上述第1级至第n级信号中选择切换适当的输出，作为该选择单元的一第一及第二输出信号；一第一比较单元，耦接上述第一输出信号，并将其转换为一第一数字信号；当上述传感器沿一第一方向移动时，上述第一比较单元的输出由一第一位准变化至一第二位准；一第二比较单元，耦接上述第二输出信号，并将其转换为一第二数字信号；当上述传感器沿一第二方向移动时，上述第二比较单元的输出由上述第二位准变化至上述第一位准；一控制单元，依据上述第一及第二比较单元的输出，而驱动上述选择单元输出上述第一及第二输出信号；一波形产生单元，耦接上述第一及第二比较单元的输出，而输出一细分割波形信号对。
11.根据权利要求10所述的电子细分割装置，其特征在于所述电子细分割装置更包括一判断单元，耦接上述第一及第二比较单元的输出，用以判断上述传感器的位置；其中，上述判断单元若侦测到上述第一及第二比较单元的输出并未分别处于上述第一及第二位准时，上述控制单元则驱动上述选择单元以选择适当的输出，直到上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出分别处于上述第一及第二位准。
12.根据权利要求10所述的电子细分割装置，其特征在于当上述传感器沿上述第一方向移动时，上述控制单元则驱动上述选择单元，将原本所选择的第k级及第k-1级信号(1＜k＜n)，切换成选择上述第k+1级及第k级信号，作为上述第一及第二输出信号。
13.根据权利要求10所述的电子细分割装置，其特征在于当上述传感器沿上述第二方向移动时，上述控制单元则驱动上述选择单元，将原本所选择的第k+1级及第k级信号(1＜k＜n)，切换成选择上述第k级及第k-1级信号，作为上述第一及第二输出信号。
14.根据权利要求10所述的电子细分割装置，其特征在于上述相移单元是为一相移电阻阵列。
15.根据权利要求10所述的电子细分割装置，其特征在于上述弦波信号是由上述传感器所输出的具有既定相位差的量测信号；上述传感器为位置或角度传感器。
16.根据权利要求15所述的电子细分割装置，其特征在于上述细分割波形信号对是为相位差为90°的一方波信号对。
17.根据权利要求11所述的电子细分割装置，其特征在于上述控制单元包括一第一及第二缓存器，分别耦接上述第一及第二比较单元的输出，用以依据上述传感器的移动方向而驱动上述选择单元；一搜寻缓存器，耦接上述判断单元的输出；一多任务器，耦接上述第一及第二缓存器及搜寻缓存器的输出；当上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出并未分别处于上述第一及第二位准时，上述多任务器则将上述搜寻缓存器的内容予以输出至上述选择单元，使上述选择单元依序切换上述第1级至第n级信号作为输出，直到上述判断单元侦测到上述第一及第二比较单元的输出分别处于上述第一及第二位准。
全文摘要
本发明是一种电子细分割装置及应用该电子细分割装置的测量系统。所述电子细分割装置是利用双比较器将多个相移信号转换成多个数字信号，使得细分割装置的输入信号周期缩小；其中，应用该电子细分割装置的测量系统亦一并揭露。
文档编号G01B11/02GK1664491SQ200410007938
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月5日 优先权日2004年3月5日
发明者杨景荣 申请人:财团法人工业技术研究院