編 碼 器 基 本 原 理

1、一、概述 將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形 式表示的電信號(hào)，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(cè)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。 編碼器按其檢測(cè)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(diǎn)，分 辨率高，它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng) 控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。 目前我國(guó)已有23位光電編碼器，為科學(xué)研究、 軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢 測(cè)的手段。 旋轉(zhuǎn)式編碼器又

2、分為增量式編碼器和絕 對(duì)式編碼器。 增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需 要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測(cè)量。 絕對(duì)式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)， 它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)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(cè)量。編碼器內(nèi)有一 圓盤編碼盤。通常為一光學(xué)玻璃，碼盤最外 圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇 形區(qū)域，用來(lái)產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道，扇形區(qū) 的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多 分辨率越高。例如： 一個(gè)每轉(zhuǎn)500

3、0的增 量形編碼器，其碼 盤上共有5000個(gè)透 光和不透光的扇形 區(qū)域。這個(gè)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(duì)應(yīng)每一個(gè)分辨率 區(qū)間，可輸出一個(gè) 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(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。 用一些數(shù)字電子元器件將信號(hào)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

4、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(cuò)半個(gè)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(cè)A相的狀 態(tài)，由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤以某個(gè)方向勻速 旋轉(zhuǎn)時(shí)(如CW),A相超前B相首先導(dǎo)通;當(dāng)碼盤反方 向(CCW)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相滯后于B相。 采用簡(jiǎn)單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相 和B相輸出脈沖時(shí)序便可確定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。 并且對(duì)A相或者B相的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)， 得出旋轉(zhuǎn)的角位移或者角速度。如果碼盤做變 速運(yùn)動(dòng)，可把它看做多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的組

5、合，其 辨向方法和速度計(jì)算方法相同。Z相脈沖用來(lái)設(shè) 置碼盤旋轉(zhuǎn)每周的清零，作為軸的初始位置計(jì) 算當(dāng)前的角度(360。范圍內(nèi))。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。 2、絕對(duì)型編碼器（旋轉(zhuǎn)型） 絕對(duì)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(gè)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(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕 對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位 置決定的，它不受停電、干擾的影響。

6、 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。 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(xué) 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(gè)8位二進(jìn)制碼盤。 當(dāng)光源將光投射在碼盤上 時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)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

7、碼道一一對(duì) 應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的 光敏元件輸出的信號(hào)，前 者為“1”，后者為“0”。當(dāng) 碼盤旋至不同位置時(shí)，光 敏元件輸出信號(hào)的組合反 映出按一定規(guī)律編碼的數(shù) 字量，代表了碼盤軸的角 位移大小。 編碼器碼盤按其所 用碼制可分為二進(jìn)制 碼、十進(jìn)制碼、循環(huán) 碼等。圖2所示的8位 二進(jìn)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(gè)黑白間隔。 每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng) 于不同的編碼。 例如零位對(duì)應(yīng)于000000(全黑)；第23個(gè)方 位對(duì)應(yīng)于0l0111。這樣在測(cè)量時(shí)，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(dòng)的中間過程無(wú)關(guān)。一個(gè)n位二進(jìn)制 碼盤的最小分辨率，即能分

8、辨的角度為 3602n。若n6，則 5.6如要達(dá)到 1左右的分辨率，至少采用20位的碼盤， 對(duì)于一個(gè)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(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作 誤差都可能造成讀數(shù)的粗誤差。主要 表1給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照 表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，從 任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，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(gè)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(gè)比特。所以 只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差， 不會(huì)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(yīng)用。 循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼

9、，這給譯碼造成一定困 難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼然后再譯碼。 按表 1所列，可以找到循環(huán)碼和二進(jìn)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(jìn)制碼 表1 四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表 十進(jìn)數(shù)二進(jìn)制 循環(huán)碼十進(jìn)數(shù)二進(jìn)制循環(huán)碼 000000000810001100 100010001910011101 2001000111010101111 3001100101110111110 4010001101211001010 5010101111311011011 6011001011411101001 7011101001511111000 根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼一二進(jìn) 制碼轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換