專(zhuān)利名稱(chēng)：一種坐標(biāo)解碼模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于四象限信息激光碼盤(pán)調(diào)制編碼的坐標(biāo)解碼電路。
背景技術(shù)：
在激光編碼解碼系統(tǒng)中，接收機(jī)需對(duì)前端光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo) 解碼，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而達(dá)到定位解碼的目的。常用的坐標(biāo)解碼電路分為分立模擬坐標(biāo)解碼電路和數(shù)字坐標(biāo)解碼電路，其中，分 立模擬坐標(biāo)解碼電路一般由分立器件構(gòu)成，它基于放大、濾波、信號(hào)處理等來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的坐 標(biāo)解碼變換。這類(lèi)坐標(biāo)解碼電路可以基本滿(mǎn)足坐標(biāo)解碼的需求，但由于分立器件數(shù)量多、體 積大、功耗大，精度和可靠性不高。數(shù)字坐標(biāo)解碼電路采用單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，增加了坐標(biāo)電路的靈活性和 抗干擾能力，可以達(dá)到小體積的要求，但由于數(shù)字電路的特點(diǎn)，在數(shù)字采樣過(guò)程中，在頻率 交疊處易出現(xiàn)丟碼、誤碼的情況，間接影響了坐標(biāo)解碼精度。另外功耗偏高，可靠性低，不適 于滿(mǎn)足系統(tǒng)上高過(guò)載的要求。因此上述坐標(biāo)解碼電路無(wú)法滿(mǎn)足該定位系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)τ诟呔取⒌凸?、小體積、高 可靠性和耐高過(guò)載的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種體積小、精度高、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、可靠性高的厚膜混 合集成的坐標(biāo)解碼電路模塊。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種坐標(biāo)解碼模塊，包括用于 將輸入的不規(guī)則四象限編碼信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出的前置放大電路、與前置放大電 路輸出端相電連接用于根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)平面坐標(biāo)四個(gè)方向的中心頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選 通的四通道帶通濾波電路、與四通道帶通濾波器輸出端相連接用于將相應(yīng)通道輸出的頻率 信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值相同的單向方波信號(hào)的位置標(biāo)定電路、與位置標(biāo)定電路輸出端相電連接用 于將位置標(biāo)定電路輸出的單向方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)的低通濾波電路，所述的前置 放大電路由依次相電連接的第一級(jí)限幅、第二級(jí)放大以及第三級(jí)門(mén)限電路組成，所述的帶 通濾波電路為無(wú)限增益多端反饋電路，且所述的前置放大電路、帶通濾波電路、位置標(biāo)定電 路、低通濾波電路基于厚膜混合集成為一模塊電路。所述的第一級(jí)限幅電路由運(yùn)放、反饋連接在運(yùn)放輸入端與輸出端的兩并聯(lián)二極管 組成。所述的帶通濾波器為二階濾波器。所述的四個(gè)方向的中心頻率為9kHz、11kHz、15kHz、18kHz。形成帶通濾波器相應(yīng)振蕩頻率的RC電路，其中電阻選用精度為士3%。的厚膜電 阻，電容采用具有溫度補(bǔ)償特性的單片陶瓷電容器。所述的位置標(biāo)定電路由一比較電路和標(biāo)定電路組成，所述的比較電路具有四個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端與相應(yīng)的帶通濾波器的輸出端相連接，各帶通濾波器輸出的正弦波信號(hào) 經(jīng)比較電路后輸出方波，且方波的相位與正弦波的相位相反；所述的標(biāo)定電路具有兩個(gè)輸 入端，其分別接收雙向方波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為正負(fù)交替的單向方波信號(hào)輸出。所述的比較電路輸出占空比為參考電壓三分之一的方波信號(hào)。所述的標(biāo)定電路為單管開(kāi)關(guān)電路。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊，其前置放大 部分由限幅、放大、門(mén)限三部分組成，可以充分濾除輸入信號(hào)中的高頻分量，并對(duì)弱信號(hào)進(jìn) 行放大，大信號(hào)進(jìn)行限幅，形成標(biāo)準(zhǔn)的頻率信號(hào)；帶通濾波通過(guò)四路高精度MFB濾波器設(shè) 計(jì)，分別對(duì)應(yīng)四象限的中心頻率，保證了解碼的精度和可靠性。同時(shí)，整個(gè)電路采用厚膜混 合集成工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使得電路體積較小，功耗較低。


附圖1為本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊電路中前置放大電路結(jié)構(gòu)圖；附圖2是本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊電路中帶通濾波電路結(jié)構(gòu)圖；附圖3是本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊電路中位置標(biāo)定電路電壓比較部分結(jié)構(gòu)圖；附圖4是本發(fā)明電壓比較部分輸出波形示意圖；附圖5是本發(fā)明坐標(biāo)解碼電路中位置標(biāo)定電路標(biāo)定部分結(jié)構(gòu)圖；附圖6是本發(fā)明坐標(biāo)解碼電路中低通濾波電路結(jié)構(gòu)圖；附圖7是本發(fā)明坐標(biāo)解碼電路工藝流程圖；附圖8是本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊集成時(shí)采用鍵合絲的示意圖。附圖9是本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊集成時(shí)采用過(guò)渡焊盤(pán)解決分布電阻示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明本發(fā)明所述的坐標(biāo)解碼模塊，在電路上，其主要由前置放大電路、帶通濾波電路、 位置標(biāo)定電路、低通濾波組成，其中，前置放大電路又由限幅、放大、門(mén)限三部分組成，其用 以濾除輸入信號(hào)中的高頻分量，并對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大，大信號(hào)進(jìn)行限幅，形成標(biāo)準(zhǔn)的頻率信 號(hào)；帶通濾波電路通過(guò)四路高精度MFB濾波器設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)四象限的中心頻率；位置標(biāo)定 電路主要由電壓比較器和標(biāo)定電路實(shí)現(xiàn)，電壓比較器輸出占空比為參考電壓三分之一的方 波信號(hào)，標(biāo)定電路為單管開(kāi)關(guān)電路，其將信號(hào)整形為單向方波；低通濾波再進(jìn)行平滑濾波， 輸出緩慢變化的電壓信號(hào)。下面將對(duì)本實(shí)施例所具體實(shí)施的各電路進(jìn)行說(shuō)明圖1所示的為前置放大電路，其由三級(jí)運(yùn)放外加相應(yīng)的反饋電路組成，在每一級(jí) 的輸入端都加入耦合電容。它們的作用是使電路的低頻特性發(fā)生改變，致使每一級(jí)都變成 了帶通濾波器，目的是為了濾除低頻的陽(yáng)光分量。在第一級(jí)反饋電路中并聯(lián)了兩個(gè)二極管 V1/V2來(lái)限幅，這樣可以防止放大器飽和。同時(shí)，第一級(jí)的運(yùn)放同相輸入端還連接一 RC電 路，這樣，可以使濾波器的過(guò)渡帶變窄，衰減斜率的值加大。因此也更大程度的減小了高頻 噪聲。最后一級(jí)為門(mén)限電路，主要為過(guò)零電壓比較器(施密特觸發(fā)器)，它將輸入信號(hào)整形 成對(duì)稱(chēng)方波。三極管將前級(jí)輸出的正半波截掉，只保留負(fù)半波，而將負(fù)半波反相，并限幅至 接近正電源電位。三級(jí)共同作用構(gòu)成了前置放大電路，其作用一方面是將弱信號(hào)放大，大信號(hào)限幅，整形成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)供后級(jí)濾波器處理，一方面是濾處無(wú)用的噪聲分量，只保留 關(guān)鍵的頻率信息。在增益上，第一級(jí)放大電路增益可以設(shè)計(jì)為40dB，第二級(jí)放大增益為25。圖2所示的為一路帶通濾波器電路，坐標(biāo)信號(hào)有四路，其它三路的電路結(jié)構(gòu)與圖2 相同，區(qū)別在于RC構(gòu)成的振蕩頻率不同。圖2所示的一路帶通濾波器為無(wú)限增益多端反饋 電路，是典型的MFB型二階帶通濾波器，放大正向輸入端接地，輸入信號(hào)通過(guò)阻容網(wǎng)絡(luò)接入 到放大器反響輸入端，其RC參數(shù)決定濾波器的中心頻率，反相增益實(shí)現(xiàn)帶通函數(shù)，器件的 設(shè)計(jì)一般是從選定電容元件入手，然后根據(jù)濾波器要求的通帶寬度確定電阻的大小。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，要求濾波器中心頻率分別為9kHz、11kHz、15kHz、18kHz，由于 濾波器對(duì)RC非常敏感，與之相關(guān)的RC設(shè)計(jì)精度較高，本實(shí)施例中，電容選擇溫漂較小、精度 較高的NPO電容，精度為士5%。。電阻采用厚膜電阻，精度控制為士3%。。圖3所示的為位置標(biāo)定電路中的一路電壓比較電路，輸入信號(hào)到放大器的反向輸 入端，與正向輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。電壓比較電路具有四路輸入端，其與帶通濾波 器的四路輸出端相對(duì)應(yīng)連接。每一個(gè)選通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)入相應(yīng)比較電路的輸入端。 比較電路的參考電壓VREF由正電源經(jīng)電阻分壓獲得，本實(shí)施例中，比較電壓為1. 7V。濾波 器輸入到放大器反相端的正弦電壓的峰值為3.4V，而3.4Xsin30° = 1.7V，從圖4可以看 出，正弦波為輸入波形，比較電平恰是正弦波峰值的一半，因此電路輸出方波的占空比恰好 是三分之一。輸出的方波幅度，高電平為正電源電壓，低電平為負(fù)電源電壓。由于輸入信號(hào) 是接在運(yùn)放的反相輸入端，因此輸出方波相位與輸入正弦波相位應(yīng)變反。圖5所示的為位置標(biāo)定電路中的標(biāo)定電路，三極管做開(kāi)關(guān)管用，由比較器輸出的 雙向方波進(jìn)入標(biāo)定電路。該電路的作用是將輸入的雙向方波變?yōu)閱蜗蚍讲ǎ巡ㄐ畏?整定(標(biāo)定)為9V左右。當(dāng)fl雙向脈沖輸入時(shí)，正脈沖使VlO導(dǎo)通，三極管V9-1和V3-2 截止，輸出為零；負(fù)脈沖使VlO截止，三極管V9-1和V3-2導(dǎo)通，正電壓經(jīng)過(guò)三極管V3-2，經(jīng) 電阻分壓后，輸出正脈沖的幅度約為9V，波形占空比仍為三分之一。在此標(biāo)定電路中，三極 管VlO作為二極管使用，它的作用是當(dāng)正脈沖輸入時(shí)，可大大減小V9-1的eb結(jié)所承受的反 壓電壓，避免管子損壞。同f2輸出負(fù)脈沖的幅度和占空比均同上。頻率信號(hào)fl和f2不可能同時(shí)輸入，因此輸出端是正、負(fù)交替的單向方波。圖6所示的為低通濾波電路，為標(biāo)準(zhǔn)的壓控電壓源型低通濾波器，由運(yùn)發(fā)和它的 兩個(gè)連接電阻R53、R55形成一個(gè)電壓控制電壓源，增益為1+R55/R53，該電路的作用是對(duì)標(biāo) 定電路送來(lái)的正方波脈沖和負(fù)方波脈沖順序進(jìn)行平滑濾波，得到一緩慢變化的直流信號(hào)。 當(dāng)電路輸入占空比是三分之一、幅值為9. 2V的連續(xù)單向脈沖時(shí)(與頻率無(wú)關(guān))，濾波器將輸 出同極性的6V直流電壓(有幾十毫伏的微小紋波)。如果在IOms周期內(nèi)，只有半周期有脈 沖，則濾波輸出也只有6V的一半，即3V。如果輸入的脈沖有正有負(fù)，且持續(xù)時(shí)間相同，則濾 波輸出為零。該電壓信號(hào)即坐標(biāo)信號(hào)，Z通道和Y通道分別對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的橫、縱坐標(biāo)，用以表示 該物體在坐標(biāo)系中的位置。整個(gè)坐標(biāo)解碼電路采用厚膜混合集成工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用全氣密性金屬管殼封 裝，具體地，在版圖布局時(shí)，外引線就近分配，這樣實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的二層布線，版圖中各個(gè)電 阻均采用厚膜漿料印刷，濾波電容盡量靠近濾波點(diǎn)，為有源器件服務(wù)的其它元件也盡量與 該器件靠近。對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行隔離，解決了非線性放大增益設(shè)計(jì)、強(qiáng)弱信號(hào)互相干擾、大電流三極管開(kāi)關(guān)對(duì)前級(jí)弱信號(hào)干擾問(wèn)題。為減小開(kāi)關(guān)電路對(duì)弱信號(hào)的干擾，將前置放大地、濾 波電路地、比較及標(biāo)定電路地進(jìn)行隔離，在外圍通過(guò)導(dǎo)電焊盤(pán)實(shí)現(xiàn)互連。在信號(hào)大的部分使 用了跨接鍵合線替代二次導(dǎo)帶的辦法來(lái)減少信號(hào)串?dāng)_。圖7為坐標(biāo)解碼模塊加工流程圖，其依次通過(guò)厚膜成膜、激光調(diào)阻、裸芯片金絲線 鍵合、環(huán)氧粘接及金屬管殼平行封焊實(shí)現(xiàn)。具體地，導(dǎo)電帶采用采用金漿印制，金絲球鍵合實(shí)現(xiàn)有源器件的互連，元器件采用 H37MP導(dǎo)電環(huán)氧或絕緣環(huán)氧粘接。基板與外殼采用環(huán)氧膜5020-1-. 005粘接。通過(guò)在線有源微調(diào)對(duì)帶通濾波器外圍電阻進(jìn)行高精度的激光微調(diào)，在激光微調(diào)同 時(shí)用頻譜分析儀觀察帶通濾波器輸出頻譜特性，通過(guò)電阻同比例微調(diào)使濾波器中心頻率逐 漸向設(shè)定的中心頻率點(diǎn)靠近，最終實(shí)現(xiàn)了高精度的中心頻率和帶寬，是實(shí)現(xiàn)解碼高精度的 關(guān)鍵因素之一。圖8為鍵合絲跨接的示意圖，由于布板面積的局限性，在導(dǎo)帶走線時(shí)，不可避免的 會(huì)發(fā)生強(qiáng)、弱信號(hào)導(dǎo)帶交錯(cuò)的情況，如采用二次導(dǎo)帶，可能會(huì)造成強(qiáng)弱信號(hào)互相干擾，采用 鍵合絲跨接方式，能有效避免這一情況的發(fā)生，解決了大電流開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)前級(jí)微弱信號(hào)的 干擾問(wèn)題。圖9為通過(guò)跨接0. 8mmX0. 8mm的過(guò)渡焊盤(pán)粘接于金屬外殼作為強(qiáng)信號(hào)跨出的示 意圖，由于布線面積的限制，大部分導(dǎo)帶較細(xì)、較長(zhǎng)，易在導(dǎo)帶上產(chǎn)生一定量的電阻(經(jīng)測(cè) 為10歐姆)，影響電路的參數(shù)。為此，在金屬管殼內(nèi)側(cè)，粘接了過(guò)渡焊盤(pán)，將內(nèi)阻較大的地線 引出，形成整個(gè)電路的標(biāo)準(zhǔn)地的統(tǒng)一，從而優(yōu)化了電路的整體性能。由于產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境為高過(guò)載平臺(tái)，要求產(chǎn)品耐受7500g高過(guò)載沖擊，為達(dá)到耐高 過(guò)載的要求，綜合考慮環(huán)氧粘接劑與元器件和基片的化學(xué)及物理相容性，選用H37MP型導(dǎo) 電環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑作為芯片與成膜基片間的粘接材料，同時(shí)對(duì)元器件進(jìn)行加固處理。為滿(mǎn)足該系統(tǒng)高可靠性、小體積的要求，最終采用標(biāo)準(zhǔn)18引線雙列直插式金屬外 殼全氣密性封裝。本發(fā)明通過(guò)厚膜混合集成工藝研制出的坐標(biāo)解碼電路，其具有體積小、功耗低、動(dòng) 態(tài)范圍大、解碼精度高、工作溫度范圍寬、可靠性高、抗高過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，申請(qǐng)人對(duì)本申 請(qǐng)電路功能以及傳統(tǒng)電路進(jìn)行了驗(yàn)證，從下表指標(biāo)上可明顯看出本申請(qǐng)坐標(biāo)解碼電路的顯 著技術(shù)效果指標(biāo)對(duì)比
權(quán)利要求
一種坐標(biāo)解碼模塊，包括用于將輸入的不規(guī)則四象限編碼信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出的前置放大電路、與前置放大電路輸出端相電連接用于根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)平面坐標(biāo)四個(gè)方向的中心頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選通的四通道帶通濾波電路、與四通道帶通濾波器輸出端相連接用于將相應(yīng)通道輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值相同的單向方波信號(hào)的位置標(biāo)定電路、與位置標(biāo)定電路輸出端相電連接用于將位置標(biāo)定電路輸出的單向方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)的低通濾波電路，所述的前置放大電路由依次相電連接的第一級(jí)限幅、第二級(jí)放大以及第三級(jí)門(mén)限電路組成，所述的帶通濾波電路為無(wú)限增益多端反饋電路，且所述的前置放大電路、帶通濾波電路、位置標(biāo)定電路、低通濾波電路基于厚膜混合集成為一模塊電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的第一級(jí)限幅電路由運(yùn)放、 反饋連接在運(yùn)放輸入端與輸出端的兩并聯(lián)二極管組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的帶通濾波器為二階MFB 帶通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的四個(gè)方向的中心頻率為 9kHz、11kHz、15kHz、18kHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于形成帶通濾波器相應(yīng)振蕩頻率 的RC電路，其中電阻選用精度為士3%。的厚膜電阻，電容采用具有溫度補(bǔ)償特性的單片陶 瓷電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的位置標(biāo)定電路由一比較 電路和標(biāo)定電路組成，所述的比較電路具有四個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端與相應(yīng)的帶通濾波器 的輸出端相連接，各帶通濾波器輸出的正弦波信號(hào)經(jīng)比較電路后輸出方波，且方波的相位 與正弦波的相位相反；所述的標(biāo)定電路具有兩個(gè)輸入端，其分別接收雙向方波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換 為正負(fù)交替的單向方波信號(hào)輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的比較電路輸出占空比為 參考電壓三分之一的方波信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的標(biāo)定電路為單管開(kāi)關(guān)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的坐標(biāo)解碼模塊在厚膜混 合集成時(shí)采用鍵合絲跨接實(shí)現(xiàn)裸芯片之間的連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)解碼模塊，其特征在于所述的坐標(biāo)解碼模塊在厚膜混 合集成時(shí)采用過(guò)渡焊盤(pán)粘接于金屬外殼上作為強(qiáng)信號(hào)電流地跨出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種坐標(biāo)解碼模塊，包括用于將輸入的不規(guī)則四象限編碼信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出的前置放大電路、用于根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)平面坐標(biāo)四個(gè)方向的中心頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選通的四通道帶通濾波電路、用于將相應(yīng)通道輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值相同的單向方波信號(hào)的位置標(biāo)定電路、用于將位置標(biāo)定電路輸出的單向方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)的低通濾波電路，所述的前置放大電路由依次相電連接的第一級(jí)限幅、第二級(jí)放大以及第三級(jí)門(mén)限電路組成，所述的帶通濾波電路為無(wú)限增益多端反饋電路，且所述的前置放大電路、帶通濾波電路、位置標(biāo)定電路、低通濾波電路基于厚膜混合集成為一模塊電路。本發(fā)明坐標(biāo)解碼模塊解碼的精度較高、電路體積較小、功耗較低。
文檔編號(hào)H03H7/12GK101977060SQ201010540818
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者周冬蓮, 張君利, 張新, 李 杰, 蘇楊 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心