光電編碼器原理及應用電路
2006-7-31］1.
光電編碼器原理
光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的感測器。這是目前應用最多的感測器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由於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，經發光二極體等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈衝訊號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈衝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旱牧鉸仿齔逍藕擰
根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及訊號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。
1.1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90海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉乙個脈衝，用於基準點定位。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，適合於長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置資訊。
1.2絕對式編碼器
絕對編碼器是直接輸出數字量的感測器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關係，碼盤上的碼道數就是它的二進位制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每
一碼道有一光敏元件；當碼盤處於不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平訊號，形成二進位制數。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乙個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，解析度就越高，對於乙個具有n位二進位制解析度的編碼器，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位制或迴圈二進位制（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，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可採用二進位製碼、迴圈碼、二進位制補碼等。它的特點是：
1.2.1
可以直接讀出角度座標的絕對值；
1.2.2沒有累積誤差；
1.2.3電源切除後位置資訊不會丟失。但是解析度是由二進位制的位數來決定的，也就是說精度取決於位數，目前有10位、14位等多種。
1.3混合式絕對值編碼器
混合式絕對值編碼器，它輸出兩組資訊：一組資訊用於檢測磁極位置，帶有絕對資訊功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出資訊。
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,介面數位化等優點。它廣泛應用於數控工具機、迴轉台、伺服傳動、機械人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和裝置中。
2. 光電編碼器的應用電路
2.1 epc
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光電編碼器的應用
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光電編碼器具備良好的使用效能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，並具有穩定可靠的輸出脈衝訊號，且該脈衝訊號經計數後可得到被測量的數碼訊號。因此，我們在研製汽車駕駛模擬器時，對方向盤旋轉角度的測量選用epc－
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光電編碼器作為感測器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出解析度選用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訊號鑑相後才能計數。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑑相與雙向計數電路，鑑相電路用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，上面與非門開啟，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，下面與非門關閉，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，上面與非門關閉，其輸出為高電平(波形w3)；此時，下面與非門開啟，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。
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，選用解析度為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，在系統上電初始化時，先對其進行復位(clr訊號)，再將其初值設為800h，即2048(ld訊號)；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；計數電路的資料輸出d0～d11送至資料處理電路。
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；為解決這一問題，我們增加了乙個方向盤回中檢測電路，系統工作後，資料處理電路在模擬器處於非操作狀態時，系統檢測回中檢測電路，若方向盤處於回中狀態，而計數電路的資料輸出不是2048，可對計數電路進行復位，並重新設定初值。
2.2 光電編碼器在重力測量儀中的應用
採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訊號量；旋轉式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。
增量編碼器是以脈衝形式輸出的感測器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且解析度更高。一般只需要三條碼道，這裡的碼道實際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產生計數脈衝。它的碼盤的外道和中間道有數目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區（光柵），但是兩道扇區相互錯開半個區。當碼盤轉動時，它的輸出訊號是相位差為90°的a相和b相脈衝訊號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產生的脈衝訊號（它作為碼盤的基準位置，給計數系統提供乙個初始的零位訊號）。從a，b兩個輸出訊號的相位關係（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』，當碼盤正轉時只有正向口脈衝輸出，反之，只有逆向口脈衝輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈衝源和脈衝計數來確定碼盤的轉動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有n個（碼道）輸出訊號，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訊號處於『高』或『低』電平狀態，而另一道訊號正處於『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（下面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況）。
圖4是乙個既能防止誤脈衝又能提高解析度的四倍頻細分電路。在這裡，採用了有記憶功能的d型觸發器和時鐘發生電路。由圖4可見，每一道有兩個d觸發器串接，這樣，在時鐘脈衝的間隔中，兩個q端（如對應b道的74ls175的第2、7引腳）保持前兩個時鐘期的輸入狀態，若兩者相同，則表示時鐘間隔中無變化；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』間往復變化時，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（下面儀器的讀數也將涉及這點）。由此可見，時鐘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，在原乙個脈衝訊號的週期內，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，其解析度為0.09°。實際上，目前這類感測器產品都將光敏元件輸出訊號的放大整形等電路與感測檢測元件封裝在一起，所以只要加上細分與計數電路就可以組成乙個角位移測量系統(74159是4-16解碼器)。
(綜合電子論壇
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光電編碼器的原理及應用場合 光電感測器原理及應用
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光電編碼器簡介
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連線編碼器 編碼器原理及測量
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