光電編碼器原理

 
圖1：光電編碼器原理圖

根據檢測原理，編碼器可分為光學式
、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式
，可分為增量式
、絕對式以及混合式三種。

增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈衝A
、B和Z相；A、B兩組脈衝相位差90海hai傭yong煞sha獎jiang愕e嘏gu卸xie銑xi魴fang較jiao潁ying鳽鳽相xiang為wei每mei轉zhuan一yi個ge脈mai衝chong
，用yong於yu基ji準zhun點dian定ding位wei。它ta的de優you點dian是shi原yuan理li構gou造zao簡jian單dan
，機ji械xie平ping均jun壽shou命ming可ke在zai幾ji萬wan小xiao時shi以yi上shang，抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang

，可ke靠kao性xing高gao

，適shi合he於yu長chang距ju離li傳chuan輸shu。其qi缺que點dian是shi無wu法fa輸shu出chu軸zhou轉zhuan動dong的de絕jue對dui位wei置zhi信xin息xi。1.2絕對式編碼器

jueduibianmaqishizhijieshuchushuziliangdechuanganqi，zaitadeyuanxingmapanshangyanjingxiangyouruogantongxinmadao
，meitiaodaoshangyoutouguanghebutouguangdeshanxingquxiangjianzucheng，xianglinmadaodeshanqushumushishuangbeiguanxi
，mapanshangdemadaoshujiushitadeerjinzhishumadeweishu，zaimapandeyiceshiguangyuan，lingyiceduiyingmeiyimadaoyouyiguangminyuanjian
；當(dang)碼(ma)盤(pan)處(chu)於(yu)不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)時(shi)，各(ge)光(guang)敏(min)元(yuan)件(jian)根(gen)據(ju)受(shou)光(guang)照(zhao)與(yu)否(fou)轉(zhuan)換(huan)出(chu)相(xiang)應(ying)的(de)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)，形(xing)成(cheng)二(er)進(jin)製(zhi)數(shu)。這(zhe)種(zhong)編(bian)碼(ma)器(qi)的(de)特(te)點(dian)是(shi)不(bu)要(yao)計(ji)數(shu)器(qi)
，在(zai)轉(zhuan)軸(zhou)的(de)任(ren)意(yi)位(wei)置(zhi)都(dou)可(ke)讀(du)出(chu)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)的(de)與(yu)位(wei)置(zhi)相(xiang)對(dui)應(ying)的(de)數(shu)字(zi)碼(ma)。顯(xian)然(ran)
，碼(ma)道(dao)越(yue)多(duo)，分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)高(gao)
，對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)具(ju)有(you) N位二進製分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。

絕對式編碼器是利用自然二進製或循環二進製（葛萊碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在於圓盤上透光、不透光的線條圖形
，絕對編碼器可有若幹編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進製碼、循環碼、二進製補碼等。它的特點是：

可以直接讀出角度坐標的絕對值；

沒有累積誤差；

電源切除後位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進製的位數來決定的
，也就是說精度取決於位數

，目前有10位

、14位等多種。

混合式絕對值編碼器

混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用於檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；

另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈衝或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數字化等優點。它廣泛應用於數控機床、回轉台、伺服傳動
、機器人、雷達
、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。

 
圖2：光電編碼器鑒相計數電路

光電編碼器的應用電路

EPC－755A光電編碼器的應用

EPC－755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位wei移yi測ce量liang時shi抗kang幹gan擾rao能neng力li很hen強qiang
，並bing具ju有you穩wen定ding可ke靠kao的de輸shu出chu脈mai衝chong信xin號hao，且qie該gai脈mai衝chong信xin號hao經jing計ji數shu後hou可ke得de到dao被bei測ce量liang的de數shu字zi信xin號hao。因yin此ci，我wo們men在zai研yan製zhi汽qi車che駕jia駛shi模mo擬ni器qi時shi，對dui方fang向xiang盤pan旋xuan轉zhuan角jiao度du的de測ce量liang選xuan用yongEPC－755A光電編碼器作為傳感器
，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360個脈衝/圈，考慮到汽車方向盤轉動是雙向的，既可順時針旋轉
，也可逆時針旋轉，需要對編碼器的輸出信號鑒相後才能計數。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數電路，鑒相電路用1個D觸發器和2個與非門組成，計數電路用3片74LS193組成。

當光電編碼器順時針旋轉時
，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°
，D觸發器輸出Q(波形W1)為高電平，Q(波形W2)為低電平，上麵與非門打開，計數脈衝通過(波形W3)，送至雙向計數器74LS193的加脈衝輸入端CU，進行加法計數；此時，下麵與非門關閉，其輸出為高電平(波形W4)。當光電編碼器逆時針旋轉時
，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發器輸出Q(波形W1)為低電平，Q(波形W2)為高電平，上麵與非門關閉
，其輸出為高電平(波形W3)
；此時，下麵與非門打開
，計數脈衝通過(波形W4)

，送至雙向計數器74LS193的減脈衝輸入端CD，進行減法計數。

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汽車方向盤順時針和逆時針旋轉時，其最大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈衝/圈的編碼器，其最大輸出脈衝數為900個；實際使用的計數電路用3片74LS193組成，在係統上電初始化時
，先對其進行複位(CLR信號)，再將其初值設為800H
，即2048(LD信號)
；如此，當方向盤順時針旋轉時
，計數電路的輸出範圍為2048～2948

，當方向盤逆時針旋轉時

，計數電路的輸出範圍為2048～1148
；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據處理電路。

實際使用時，方向盤頻繁地進行順時針和逆時針轉動

，由於存在量化誤差，工作較長一段時間後
，方向盤回中時計數電路輸出可能不是2048，而是有幾個字的偏差
；weijiejuezheyiwenti，womenzengjialeyigefangxiangpanhuizhongjiancedianlu，xitonggongzuohou，shujuchulidianluzaimoniqichuyufeicaozuozhuangtaishi，xitongjiancehuizhongjiancedianlu，ruofangxiangpanchuyuhuizhongzhuangtai，erjishudianludeshujushuchubushi2048，可對計數電路進行複位
，並重新設置初值。

光電編碼器在重力測量儀中的應用

采用旋轉式光電編碼器


，把它的轉軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移量轉化為某種電信號量

；旋轉式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。

增(zeng)量(liang)編(bian)碼(ma)器(qi)是(shi)以(yi)脈(mai)衝(chong)形(xing)式(shi)輸(shu)出(chu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，碼(ma)盤(pan)比(bi)絕(jue)對(dui)編(bian)碼(ma)器(qi)碼(ma)盤(pan)要(yao)簡(jian)單(dan)得(de)多(duo)且(qie)分(fen)辨(bian)率(lv)更(geng)高(gao)。一(yi)般(ban)隻(zhi)需(xu)要(yao)三(san)條(tiao)碼(ma)道(dao)，這(zhe)裏(li)的(de)碼(ma)道(dao)實(shi)際(ji)上(shang)已(yi)不(bu)具(ju)有(you)絕(jue)對(dui)編(bian)碼(ma)器(qi)碼(ma)道(dao)的(de)意(yi)義(yi)，而(er)是(shi)產(chan)生(sheng)計(ji)數(shu)脈(mai)衝(chong)。它(ta)的(de)碼(ma)盤(pan)的(de)外(wai)道(dao)和(he)中(zhong)間(jian)道(dao)有(you)數(shu)目(mu)相(xiang)同(tong)均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)的(de)透(tou)光(guang)和(he)不(bu)透(tou)光(guang)的(de)扇(shan)形(xing)區(qu)（光柵）
，但是兩道扇區相互錯開半個區。當碼盤轉動時
，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈衝信號以及隻有一條透光狹縫的第三碼道所產生的脈衝信號（它作為碼盤的基準位置，給計數係統提供一個初始的零位信號）。從A
，B兩個輸出信號的相位關係（超前或滯後）可判斷旋轉的方向。由圖3（a）可見
，當碼盤正轉時，A道脈衝波形比B道超前π/2，而反轉時，A道脈衝比B道滯後π/2。圖3（b）是一實際電路
，用A道整形波的下沿觸發單穩態產生的正脈衝與B道整形波相‘與’
，當(dang)碼(ma)盤(pan)正(zheng)轉(zhuan)時(shi)隻(zhi)有(you)正(zheng)向(xiang)口(kou)脈(mai)衝(chong)輸(shu)出(chu)
，反(fan)之(zhi)
，隻(zhi)有(you)逆(ni)向(xiang)口(kou)脈(mai)衝(chong)輸(shu)出(chu)。增(zeng)量(liang)編(bian)碼(ma)器(qi)是(shi)根(gen)據(ju)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)源(yuan)和(he)脈(mai)衝(chong)計(ji)數(shu)來(lai)確(que)定(ding)碼(ma)盤(pan)的(de)轉(zhuan)動(dong)方(fang)向(xiang)和(he)相(xiang)對(dui)角(jiao)位(wei)移(yi)量(liang)。通(tong)常(chang)
，若(ruo)編(bian)碼(ma)器(qi)有(you)N個（碼道）輸出信號，其相位差為π/ N

，可計數脈衝為2N倍光柵數，現在N=2。圖3電路的缺點是有時會產生誤記脈衝造成誤差，這種情況出現在當某一道信號處於‘高’或‘低’電平狀態，另一道信號正處於‘高’和 ‘低’之間的往返變化狀態，此時碼盤雖然未產生位移，但是會產生單方向的輸出脈衝。例如，碼盤發生抖動或手動對準位置時（下麵可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況）。

 
圖3：增量光電編碼器基本波形和電路

 
圖4：四倍計數方式的波形和電路

圖4是一個既能防止誤脈衝又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在這裏，采用了有記憶功能的D型觸發器和時鍾發生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發器串接，這樣，在時鍾脈衝的間隔中，兩個Q端（如對應B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個時鍾期的輸入狀態，若兩者相同，則表示時鍾間隔中無變化；否則，可以根據兩者關係判斷出它的變化方向，從而產生‘正向’或‘反向’輸出脈衝。當某道由於振動在‘高’、‘低’間往複變化時
，將交替產生‘正向’和‘反向’脈衝，這在對兩個計數器取代數和時就可消除它們的影響（下麵儀器的讀數也將涉及這點）。由此可見
，時鍾發生器的頻率應大於振動頻率的可能最大值。由圖4還可看出

，在原一個脈衝信號的周期內
，得到了四個計數脈衝。例如，原每圈脈衝數為1000的編碼器可產生4倍頻的脈衝數是4000個，其分辨率為0.09°。實(shi)際(ji)上(shang)，目(mu)前(qian)這(zhe)類(lei)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)都(dou)將(jiang)光(guang)敏(min)元(yuan)件(jian)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)放(fang)大(da)整(zheng)形(xing)等(deng)電(dian)路(lu)與(yu)傳(chuan)感(gan)檢(jian)測(ce)元(yuan)件(jian)封(feng)裝(zhuang)在(zai)一(yi)起(qi)
，所(suo)以(yi)隻(zhi)要(yao)加(jia)上(shang)細(xi)分(fen)與(yu)計(ji)數(shu)電(dian)路(lu)就(jiu)可(ke)以(yi)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)角(jiao)位(wei)移(yi)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)(74159是4-16譯碼器)。