編 碼 器 基 本 原 理

1、一、概述 將機械轉(zhuǎn)動的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器又稱數(shù)字編碼器 。 編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測量。 編碼器的種類很多。按其結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器。由于許多直線位移是通過轉(zhuǎn)軸的運動產(chǎn)生的，因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應用更為廣泛。 編碼器按其檢測原理分為電磁式、接觸式、光電式等。 光電式編碼器具有非接觸和體積小的特點，分辨率高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應用。 目前我國已有23位光電編碼器，為科學研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對位移量進行精密檢測的手段。 旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和絕

2、對式編碼器。 增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行累計計數(shù)，一般還需要基準數(shù)據(jù)即零位基準才能完成角位移測量。 絕對式編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對應的固定數(shù)字碼輸出。1 增量型編碼器（incremental encoder） 增量型編碼器每轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量可表示角位移的測量。編碼器內(nèi)有一圓盤編碼盤。通常為一光學玻璃，碼盤最外圈的碼道上均布有相當數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)域，用來產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道，扇形區(qū)的多少決定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多分辨率越高。例如：一個每轉(zhuǎn)5000的增量形編碼器，其碼盤上共有5000個透光和

3、不透光的扇形區(qū)域。這個碼盤被安裝到編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上增量 式 編碼器的碼盤刻線間距均等，對應每一個分辨率區(qū)間，可輸出一個增量脈沖。 光源發(fā)出平行且定向的光束照到碼盤上，光敏元件接受被調(diào)制的光線，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。 用一些數(shù)字電子元器件將信號放大，并整形出正交波的脈沖系列，由電纜傳出。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 可辨向光柵盤結(jié)構(gòu)和辨

4、向原理如圖2，有A相、B相和Z相三條環(huán)帶。A相和B相在碼盤上互相錯半個區(qū)域，在相位上相差1/4周期，在波形上相差900，即相互垂直。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài)，由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。當碼盤以某個方向勻速旋轉(zhuǎn)時(如CW),A相超前B相首先導通;當碼盤反方向(CCW)勻速旋轉(zhuǎn)時，A相滯后于B相。 采用簡單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時序便可確定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。并且對A相或者B相的輸出脈沖進行計數(shù)統(tǒng)計，得出旋轉(zhuǎn)的角位移或者角速度。如果碼盤做變速運動，可把它看做多個運動周期的組合，其辨向方法和速度計算方法相同。Z相脈沖用來設(shè)置碼盤旋轉(zhuǎn)每周的清零，作為軸的初始位置計算當前的角度(36

5、0。范圍內(nèi))。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。2、絕對型編碼器（旋轉(zhuǎn)型） 絕對編碼器光碼盤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，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。 絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的

6、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。 3、光電編碼器 光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。碼盤由光學玻璃制成，其上到有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盆構(gòu)造如圖2所示，它是一個8位二進制碼盤。當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸

7、的角位移大小。 編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等。圖2所示的8位二進制碼盤，員內(nèi)困碼盤一半透光，一半不透光最外圈一共分成28256個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。 例如零位對應于000000(全黑)；第23個方位對應于0l0111。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。一個n位二進制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為3602n。若n6，則 5.6如要達到1左右的分辨率，至少采用20位的碼盤，對于一個刻劃直徑為400 mm的20位碼盆，其外因分劃間隔不到1.2m。 采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差都可能造成

8、讀數(shù)的粗誤差。主要 表1給出了四位二進制碼與循環(huán)碼的對照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位編碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應用。 循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進制碼然后再譯碼。 按表1所列，可以找到循環(huán)碼和二進制碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 或：式中：R表示循環(huán)碼； C表示二進制碼 表1 四位二進制碼與循環(huán)碼對照表十進數(shù)二進制循環(huán)碼十進數(shù)二進制循環(huán)碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000 根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼一二進制碼轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換