編碼器定義和功能

在數(shù)字系統(tǒng)中，信息(輸入)通常需要轉(zhuǎn)換為特定代碼(輸出)。按照一定的規(guī)律(如8421碼、格雷碼等)排列二進(jìn)制碼，對(duì)每組碼表示特定的含義(表示數(shù)字或控制信號(hào))稱(chēng)為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱(chēng)為編碼器。編碼器有多個(gè)輸入，每次只有一個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。如果編碼器有N個(gè)輸入和N個(gè)輸出，則必須滿(mǎn)足輸出和輸入部之間的關(guān)系N2n。例如，8線-3線編碼器和10線-4線編碼器分別有8輸入、3位二進(jìn)制代碼輸出和10輸入、4位二進(jìn)制代碼輸出。

4線-2線編碼器

下面分析了4輸入、2位二進(jìn)制輸出編碼器的工作原理。

根據(jù)邏輯表達(dá)式繪制邏輯圖，如圖1所示。

圖1

這個(gè)邏輯電路實(shí)現(xiàn)了表1所示的功能。也就是說(shuō)，如果I0 ~ I3中的一個(gè)輸入為1，則輸出Y1Y0為該代碼(例如，如果I1為1，則Y1Y0為01)。這里還有一個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)讀者注意。當(dāng)I0等于1，I1 ~ I3都等于0，I0 ~ I3都等于0時(shí)，Y1Y0都等于00，這兩種情況實(shí)際上需要區(qū)分，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該留待以后解決。當(dāng)然，編碼器也可以設(shè)計(jì)成低電平。

鍵盤(pán)輸入8421BCD碼編碼器

計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)輸入邏輯電路由編碼器組成。圖2是由10個(gè)鍵和門(mén)電路組成的8421碼編碼器，如圖2所示。其中S0 ~ S9表示10個(gè)鍵，即十進(jìn)制0 ~ 9對(duì)應(yīng)的輸入鍵。相應(yīng)的輸出代碼完全是8421BCD代碼，用作邏輯變量。ABCD是輸出代碼(A為最高位)。

分析菜單和邏輯電路，可以發(fā)現(xiàn)1編碼器對(duì)輸入低電平有效。如果按S0 ~ S9鍵之一，其中一個(gè)輸入信號(hào)是有效電平，GS=1表示有信號(hào)輸入，只有S0 ~ S9是高電平，GS=0表示沒(méi)有信號(hào)輸入，在這種情況下，輸出代碼0000是無(wú)效碼。由此解決了在前面提出的兩種情況下，如何區(qū)分輸出都為零的問(wèn)題。

圖2

表2

優(yōu)先編碼器

上面的機(jī)械鍵編碼電路比較簡(jiǎn)單，但同時(shí)按兩個(gè)以上的鍵會(huì)導(dǎo)致輸出混亂。在數(shù)字系統(tǒng)(特別是計(jì)算機(jī)系統(tǒng))中，微型計(jì)算機(jī)主機(jī)經(jīng)常需要控制一些工作對(duì)象，如打印機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、輸入鍵盤(pán)等。如果部件需要執(zhí)行操作，則必須先向主機(jī)(稱(chēng)為服務(wù)請(qǐng)求)發(fā)送信號(hào)，主機(jī)識(shí)別后發(fā)送允許的操作信號(hào)(稱(chēng)為服務(wù)響應(yīng))。這可能包括多個(gè)部件同時(shí)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求。同時(shí)，只能向其中一個(gè)部件發(fā)送允許的操作信號(hào)。因此，必須根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定這些控制對(duì)象允許操作的優(yōu)先級(jí)，即優(yōu)先級(jí)。識(shí)別和編碼這些請(qǐng)求信號(hào)的優(yōu)先級(jí)水平的邏輯部件稱(chēng)為優(yōu)先級(jí)編碼器。4線-2線優(yōu)先編碼器菜單見(jiàn)表3。

表3

編碼器的工作原理和類(lèi)型

編碼器(encoder)是編譯信號(hào)(例如比特流)或數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)格式的裝置。編碼器將角度位移或直線位移轉(zhuǎn)換為稱(chēng)為碼盤(pán)的電信號(hào)，后者稱(chēng)為碼盤(pán)。根據(jù)讀取方式的不同，編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種。根據(jù)工作原理，編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，以脈沖數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)編碼器中的每一位都是

置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)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(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90度，從而可方便的判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。

絕對(duì)式編碼器：絕對(duì)式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼盤(pán)，每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)樹(shù)木是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件，當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道必須N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。

混合式絕對(duì)編碼器：混合式絕對(duì)編碼器，它輸出兩組信息，一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器的應(yīng)用

光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息，來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。光電編碼器，是目前應(yīng)用最多的傳感器。

一般的光電編碼器主要由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。在伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90°的2個(gè)通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器。下面，簡(jiǎn)單說(shuō)明一下，增量型編碼器與絕對(duì)型編碼器區(qū)別。

1、角度測(cè)量

汽車(chē)駕駛模擬器，對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用光電編碼器作為傳感器。重力測(cè)量?jī)x，采用光電編碼器，把他的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連，扭轉(zhuǎn)角度儀，利用編碼器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度變化，如扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)、漁竿扭轉(zhuǎn)釣性測(cè)試等。擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，利用編碼器計(jì)算沖擊時(shí)擺角變化。

2、長(zhǎng)度測(cè)量

計(jì)米器，利用滾輪周長(zhǎng)來(lái)測(cè)量物體的長(zhǎng)度和距離。拉線位移傳感器，利用收卷輪周長(zhǎng)計(jì)量物體長(zhǎng)度距離。聯(lián)軸直測(cè)，與驅(qū)動(dòng)直線位移的動(dòng)力裝置的主軸聯(lián)軸，通過(guò)輸出脈沖數(shù)計(jì)量。介質(zhì)檢測(cè)，在直齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條的鏈輪、同步帶輪等來(lái)傳遞直線位移信息。

3、速度測(cè)量

線速度，通過(guò)跟儀表連接，測(cè)量生產(chǎn)線的線速度角速度，通過(guò)編碼器測(cè)量電機(jī)、轉(zhuǎn)軸等的速度測(cè)量

4、位置測(cè)量

機(jī)床方面，記憶機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，如鉆床等自動(dòng)化控制方面，控制在每個(gè)位置進(jìn)行指定動(dòng)作。如電梯、提升機(jī)等

5、同步控制

通過(guò)角速度或線速度，對(duì)傳動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行同步控制，以達(dá)到張力控制

增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型)

旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

1、工作原理：由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

2、信號(hào)輸出：信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開(kāi)路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱(chēng)A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱(chēng)推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。

如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。

A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。

A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。

對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。

3、增量式編碼器的問(wèn)題：增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開(kāi)機(jī)應(yīng)找零或參考位等問(wèn)題，這些問(wèn)題如選用絕對(duì)型編碼器可以解決。

增量型編碼器的一般應(yīng)用:

測(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離(相對(duì))。

絕對(duì)型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16 線。。。。。。編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就 稱(chēng)為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

從單圈絕對(duì)值編碼器到多圈絕對(duì)值編碼器

旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤(pán)各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以?xún)?nèi)的測(cè)量，稱(chēng)為單圈絕對(duì)值編碼器。

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)值編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組 碼盤(pán)（或多組齒輪，多組碼盤(pán)），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱(chēng)為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械 位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。

多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。