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90haiyongshajiangeguxiexifangjiaoying鳽xiangweimeizhuanyigemaichong，yongyujizhundiandingwei。tadeyoudianshiyuanligouzaojiandan，jixiepingjunshoumingkezaijiwanxiaoshiyishang，kangganraonengliqiang
，kekaoxinggao
，shiheyuchangjulichuanshu。qiquedianshiwufashuchuzhouzhuandongdejueduiweizhixinxi。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(yong)EPC－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；為wei解jie決jue這zhe一yi問wen題ti，我wo們men增zeng加jia了le一yi個ge方fang向xiang盤pan回hui中zhong檢jian測ce電dian路lu，係xi統tong工gong作zuo後hou，數shu據ju處chu理li電dian路lu在zai模mo擬ni器qi處chu於yu非fei操cao作zuo狀zhuang態tai時shi
，係xi統tong檢jian測ce回hui中zhong檢jian測ce電dian路lu
，若ruo方fang向xiang盤pan處chu於yu回hui中zhong狀zhuang態tai，而er計ji數shu電dian路lu的de數shu據ju輸shu出chu不bu是shi2048，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)。