作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

投稿人：DigiKey 北美編輯

本文將深入探討面板安裝旋轉編碼器的電氣工程應用。這些器件本質上屬于換能器，可將旋轉位移轉換成電信號，以供主機系統使用。編碼器的機制涉及在旋轉過程中產生脈沖，使控制設備能夠辨別方向、位置、計數或速度等關鍵信息。

面板安裝編碼器對各行各業都至關重要。這些器件廣泛應用于國防和航空航天、醫療、消費品、測試/計量等行業。面板安裝編碼器具有多功能性，可在駕駛艙控制、演播室混頻器和音頻設備、電子實驗室和儀器設置、電機驅動等各種應用中發揮作用。由于用途多樣，面板安裝編碼器成為了制作精確控制接口的首選。本文將探討面板安裝旋轉編碼器的基本工作原理，闡明關鍵規格和考量因素。

面板安裝編碼器的基礎知識

就旋轉編碼器而言，面板安裝編碼器之所以得名，就是因為該器件實際上安裝在面板上。這些器件主要服務于人機接口功能，例如立體聲音響上的音量旋鈕。其作用是讓用戶能夠操縱各種系統參數，充當用戶與系統處理器之間的通道。

將面板安裝旋轉編碼器與[電位計]（另一種面板安裝元器件，具有將旋轉位移轉換為信號的類似功能）進行比較后發現，前者具有明顯的優勢。面板安裝編碼器的制造公差更小，因此精度和一致性更高。此外，這些器件的數字輸出可與現代數字器件無縫對接，無需使用模數轉換器，從而降低了成本，減少了潛在錯誤。不過，如果您對電位計感到好奇，請參閱 [CUI Devices] 的文章[“The Complete Guide to Potentiometers”]（電位計完全指南），此文對這些相似但又不同的元器件進行了全面的探討。

面板安裝編碼器的規格和考量因素

在深入研究面板安裝旋轉編碼器的具體特性時，有幾項關鍵規格和考量因素值得進一步關注。PPR，即每轉脈沖數，是一個突出的定義指標，通過指示每旋轉 360 度所產生的方波脈沖數來量化編碼器的分辨率（圖 1）。分辨率還可用 CPR（每轉計數）度量，計算公式為 PPR 乘以 4，表示每轉產生的正交狀態變化數。如需全面了解這些指標，請參閱 CUI Devices 的文章[“What’s the Difference Between an Incremental Encoder’s PPR, CPR, and LPR?”]（增量編碼器的 PPR、CPR 和 LPR 之間有什么區別？），此文可為您提供寶貴資源。

圖 1：通過從一個相同點到下一個相同點的波形來測量脈沖。（圖片來源：CUI Devices）

棘爪是一個不可或缺的功能，在軸旋轉的過程中，棘爪會發出“咔嗒”聲，以此為用戶提供反饋。棘爪以每旋轉 360 度發出咔嗒聲的次數指定，可用于防止意外旋轉，并以軸移動的特定度數提供觸覺指示。

除了編碼器本身的功能，按壓開關功能還引入了額外的用戶輸入信號。按下編碼器軸，即可啟動一個簡單的 SPST 開關。該開關通常用于選擇通過轉動編碼器旋鈕進行操縱的功能。

旋轉編碼器利用兩個通道偏移 90 度電角度的方波來辨別方向。通過這些通道之間的相對相移，可檢測到前導通道，進而可靠地指示旋轉方向（圖 2）。

圖 2：通過檢測前導信號監測順時針或逆時針旋轉。（圖片來源：CUI Devices）

為了追求更高的分辨率，許多應用選擇正交狀態變化，即一個周期涉及兩個通道從低到高，再回到低的轉換過程。這種方法可有效地增加每轉計數，提高編碼器跟蹤旋轉運動的分辨率和精度。這是一種巧妙的策略，可從每轉中提取更詳細的信息，優化編碼器在各種應用中的性能。

| | 位置 | 狀態 |

圖 3：正交真值表。（圖片來源：CUI Devices）

將面板安裝編碼器連接到微控制器時需要建立一個電路，其中微控制器輸出電流，提供 V+ 通路，而編碼器則提供接地通路。這種協作形成了一個完整的電路，可在編碼器與微控制器之間實現無縫通信。“開集極”一詞也可與“漏極”互換使用，表示輸出晶體管的集電極在設備外部。這都是在為數據交換建立有效的電氣通道。

此外，還要注意區分微控制器使用的不同計數方法：

1. 單通道脈沖： 這種簡單的方法為每個脈沖分配 1 個計數，簡化了計數過程，適用于只需基本計數的應用。
2. 雙通道脈沖： 利用兩個通道有效地將計數增加一倍，從而更詳細、更準確地表示編碼器的運動。
3. 正交狀態變化： 選擇正交狀態變化可利用每個周期的四個計數，在跟蹤旋轉移位時提供更高的分辨率和精度。

機械與光學

一般來說，面板安裝編碼器采用兩種主要技術：機械和光學技術。

機械編碼器以開關陣列運行，依靠觸點沿外緣等距分布的碼盤。同時，有一個固定觸點固定在編碼器底座上（圖 4）。當碼盤旋轉時，它將依次與碼盤觸點接觸和斷開，每次一個。電路中的這種周期性接合與脫離動作會產生電壓脈沖，這就是旋轉運動轉換為電信號的基本機制。

圖 4：機械編碼器的內部工作原理。（圖片來源：CUI Devices）

必須強調的是，機械編碼器本質上是一個機械開關陣列，必須使用去抖電路和編程才能確保有用的輸出。雖然在理想情況下，開關會表現出明確的開關狀態，但實際情況卻更為復雜。開關會在這些狀態之間懸停或彈跳，導致信號失真。這種彈跳現象稱為開關彈跳，會被錯誤地解讀為額外脈沖，從而給系統帶來不準確性。

為減少開關彈跳，需要使用去抖電路（圖 5）。這種電路設計用于“糾正”輸出，確保信號準確地呈現預期的開/關狀態，而不受彈跳或懸停效應的干擾。這種對信號完整性的關注對于實現機械編碼器的可靠和精確性能至關重要。

圖 5：去抖電路有助于“糾正”機械編碼器的輸出。（圖片來源：CUI Devices）

另一方面，光學編碼器由三個基本元器件組成：光源、光檢測器和碼盤。以下是其詳細運行情況：

1. 光源： 該元器件可發出光線。
2. 光檢測器： 位于光源的另一側，可感應發出的光線。
3. 碼盤： 位于光源與檢測器之間，具有等距分布的狹縫。這些狹縫交替允許光線通過或阻擋光線。

運行周期涉及光源通過碼盤上的狹縫照射出來。檢測器根據狹縫是允許光線通過還是阻擋光線來記錄光強度的變化。內部電路根據光線的檢出或阻擋情況，啟用或禁用輸出。通過這種機制，光學編碼器即可有效地將位置信息轉化為電信號。

圖 6：光學編碼器的內部工作原理。（圖片來源：CUI Devices）

綜上所述，機械編碼器經濟高效，用途廣泛，電壓范圍較寬。然而，此類編碼器需要去抖電路才能獲得可靠的信號，而且生命周期較短。相反地，光學編碼器通常更昂貴，但使用壽命較長。此類編碼器可提供更純凈的輸出信號，無需去抖電路。此外，在精密應用中，光學編碼器可提供更高的分辨率。

總結

面板安裝編碼器將繼續在各行各業的各種用戶接口應用中占據一席之地。全面掌握現有的編碼器技術、基本規格和設計考量因素對于優化設備選擇至關重要。CUI Devices 提供一系列機械和光學[面板安裝編碼器]，幾乎可滿足所有設計要求。除面板安裝編碼器外，CUI Devices 基于電容的 [AMT 旋轉編碼器]還擁有其他編碼器技術所不具備的精度和耐用性。