編碼器的定義與功能

在數字系統里，常常需要將某一信息（輸入）變換為某一特定的代碼（輸出）。把二進制碼按一定的規律編排，例如8421碼、格雷碼等，使每組代碼具有一特定的含義（代表某個數字或控制信號）稱為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼器。編碼器有若干個輸入，在某一時刻只有一個輸入信號被轉換成為二進制碼。如果一個編碼器有N個輸入端和n個輸出端，則輸出端與輸入端之間應滿足關系N≤2n。例如8線—3線編碼器和10線—4線編碼器分別有8輸入、3位二進制碼輸出和10輸入、4位二進制碼輸出。

▲ 4線—2線編碼器

下面分析4輸入、2位二進制輸出的編碼器的工作原理。

圖1

該邏輯電路可以實現如表1所示的功能

即當I0～I3中某一個輸入為1，輸出 Y1Y0即為相對應的代碼，例如當I1為1時，Y1Y0為01。這里還有一個問題請讀者注意。當I0為1，I1～I3都為0和I0～I3均為0時Y1Y0 都是00，而這兩種情況在實際中是必須加以區分的，這個問題留待后面加以解決。當然，編碼器也可以設計為低電平有效。

▲ 鍵盤輸入8421BCD碼編碼器

計算機的鍵盤輸入邏輯電路就是由編碼器組成。圖2是用十個按鍵和門電路組成的8421碼編碼器，其功能如表2所示， 其中S0～S9代表十個按鍵，即對應十進制數0～9的輸入鍵，它們對應的輸出代碼正好是8421BCD碼，同時也把它們作為邏輯變量，ABCD 為輸出代碼（A為最高位），GS為控制使能標志。

對功能表和邏輯電路進行分析，都可得知：①該編碼器為輸入低電平有效；②在按下S0～S9中任意一個鍵時，即輸入信號中有一個為有效電平時，GS＝1，代表有信號輸入，而只有S0～S9均為高電平時GS＝0，代表無信號輸入，此時的輸出代碼0000為無效代碼。由此解決了前面提出的如何區分兩種情況下輸出都是全0的問題。

圖2

表2

▲ 優先編碼器

上述機械式按鍵編碼電路雖然比較簡單，但當同時按下兩個或更多個鍵時，其輸出將是混亂的。在數字系統中，特別是在計算機系統中，常常要控制幾個工作對象，例如微型計算機主機要控制打印機、磁盤驅動器、輸入鍵盤等。當某個部件需要實行操作時，必須先送一個信號給主機（稱為服務請求），經主機識別后再發出允許操作信號（稱為服務響應），這里會有幾個部件同時發出服務請求的可能，而在同一時刻只能給其中一個部件發出允許操作信號。因此，必須根據輕重緩急，規定好這些控制對象允許操作的先后次序，即優先級別。識別這類請求信號的優先級別并進行編碼的邏輯部件稱為優先編碼器。4線—2線優先編碼器的功能表如表3所示。

表3

編碼器的工作原理和種類

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

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方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，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動的絕對位置信息。

絕對式編碼器：絕對式編碼器是直接輸出數字的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼盤，每條道上有透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區樹木是雙倍關系，碼盤上的碼道數是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件，當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道必須N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。

混合式絕對編碼器：混合式絕對編碼器，它輸出兩組信息，一組信息用于檢測磁極位置，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。

光電編碼器的應用

光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息，來表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。光電編碼器，是目前應用最多的傳感器。

一般的光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成。在伺服系統中，由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的2個通道的光碼輸出，根據雙通道光碼的狀態變化確定電機的轉向。

根據光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器。下面，簡單說明一下，增量型編碼器與絕對型編碼器區別。

1、角度測量

汽車駕駛模擬器，對方向盤旋轉角度的測量選用光電編碼器作為傳感器。重力測量儀，采用光電編碼器，把他的轉軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連，扭轉角度儀，利用編碼器測量扭轉角度變化，如扭轉實驗機、漁竿扭轉釣性測試等。擺錘沖擊實驗機，利用編碼器計算沖擊時擺角變化。

2、長度測量

計米器，利用滾輪周長來測量物體的長度和距離。拉線位移傳感器，利用收卷輪周長計量物體長度距離。聯軸直測，與驅動直線位移的動力裝置的主軸聯軸，通過輸出脈沖數計量。介質檢測，在直齒條、轉動鏈條的鏈輪、同步帶輪等來傳遞直線位移信息。

3、速度測量

線速度，通過跟儀表連接，測量生產線的線速度角速度，通過編碼器測量電機、轉軸等的速度測量

4、位置測量

機床方面，記憶機床各個坐標點的坐標位置，如鉆床等自動化控制方面，控制在每個位置進行指定動作。如電梯、提升機等

5、同步控制

通過角速度或線速度，對傳動環節進行同步控制，以達到張力控制

增量型編碼器 （旋轉型）

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

1、工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取，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，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤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，其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級，塑料碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

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

2、信號輸出：信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN），推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅動（對稱A，A-;B，B-;Z，Z-），HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。

如單相聯接，用于單方向計數，單方向測速。

A.B兩相聯接，用于正反向計數、判斷正反向和測速。

A、B、Z三相聯接，用于帶參考位修正的位置測量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。

對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。

對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。

3、增量式編碼器的問題：增量型編碼器存在零點累計誤差，抗干擾較差，接收設備的停機需斷電記憶，開機應找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。

增量型編碼器的一般應用：

測速，測轉動方向，測移動角度、距離（相對）。

絕對型編碼器（旋轉型）

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，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。

從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器

旋轉單圈絕對值編碼器，以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉范圍360度以內的測量，稱為單圈絕對值編碼器。

如果要測量旋轉超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。

編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組 碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械 位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。

多圈編碼器另一個優點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度。