• 關鍵詞： 光電編碼器原理 光電編碼器
• 摘要：本文詳細介紹了光電編碼器的原理、分類及應用電路 ，可供參考。

1.光電編碼器原理

　　光電編碼器，是一種議決光電轉換將輸出軸上的機器多少位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是如今應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置構成。光柵盤是在肯定直徑的圓板上中分地開通多少個長方形孔。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構成的檢測裝置檢測輸出多少脈沖信號，其原理表示圖如圖1所示；每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反應當前電動機的轉速。

　　根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感到式和電容式。根據其刻度要領及信號輸出式樣，可分為增量式、盡對式以及稠濁式三種。

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沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的長處是原理布局大略，機器勻稱壽命可在幾萬小時以上，抗滋擾本領強，可靠性高，得當于長隔斷傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的盡對位置信息。

1.2盡對式編碼器

　　盡對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有多少同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間構成，相鄰碼道的扇區數量是雙倍干系，碼盤上的碼道數便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；當碼盤處于差別位置時，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，在轉軸的恣意位置都可讀出一個穩固的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，辨別率就越高，對付一個具有N位二進制辨別率的編碼器，其碼盤務必有N條碼道。如今國內已有16位的盡對編碼器產品。

　　盡對式編碼器是利用天然二進制或循環二進制（葛萊碼）方法舉行光電轉換的。盡對式編碼器與增量式編碼器差別之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，盡對編碼器可有多少編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測盡對位置。編碼的計劃可采取二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是：

1.2.1可以直接讀出角度坐標的盡對值；

1.2.2沒有累積偏差；

1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。但是辨別率是由二進制的位數來決定的，也便是說精度取決于位數，如今有10位、14位等多種。

1.3稠濁式盡對值編碼器

　　稠濁式盡對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有盡對信息作用；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（角速率）檢測裝置，它將輸進給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，勞動可靠,接口數字化等長處。它廣泛應用于cnc機床、反轉展轉臺、伺服傳動、呆板人、雷達、軍事目標測定等必要檢測角度的裝置和配置中。

2.光電編碼器的應用電路

2.1EPC－755A光電編碼器的應用

　　EPC－755A光電編碼用具備精良的利用性能，在角度丈量、位移丈量時抗滋擾本領很強，并具有穩固可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經計數后可得到被丈量的數字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模仿器時，他方向回旋轉角度的丈量選用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，輸出辨別率選用360個脈沖/圈，思考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，必要對編碼器的輸出信號鑒相后才華計數。圖2給出了光電編碼器實際利用的鑒相與雙向計數電路，鑒相電路用1個D觸發器和2個與非門構成，計數電路用3片74LS193構成。

　　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，上面與非門打開，計數脈沖議決(波形W3)，送至雙向計數器74LS193的加脈沖輸進端CU，舉行加法計數；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輸出波形耽誤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，下面與非門打開，計數脈沖議決(波形W4)，送至雙向計數器74LS193的減脈沖輸進端CD，舉行減法計數。

　　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，選用辨別率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數為900個；實際利用的計數電路用3片74LS193構成，在體系上電初始化時，先對其舉行復位(CLR信號)，再將其初值設為800H，即2048(LD信號)；云云，當方向盤順時針旋轉時，計數電路的輸出范疇為2048～2948，當方向盤逆時針旋轉時，計數電路的輸出范疇為2048～1148；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據處理電路。

　　實際利用時，方向盤頻頻地舉行順時針和逆時針轉動，由于存在量化偏差，勞動較長一段時間后，方向盤回中時計數電路輸出大概不是2048，而是有幾個字的過失；為辦理這一標題，我們增長了一個方向盤回中檢測電路，體系勞動后，數據處理電路在模仿器處于非支配狀態時，體系檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態，而計數電路的數據輸出不是2048，可對計數電路舉行復位，并重新配置初值。

2.2光電編碼器在重力丈量儀中的應用

　　采取旋轉式光電編碼器，把它的轉軸與重力丈量儀中補償旋鈕軸相連。重力丈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，盡對編碼器和增量編碼器。

　　增量編碼器因此脈沖式樣輸出的傳感器，其碼盤比盡對編碼器碼盤要大略得多且辨別率更高。平常只必要三條碼道，這里的碼道實際上已不具有盡對編碼器碼道的意義，而是產生存數脈沖。它的碼盤的外道和中央道有數量雷同勻稱散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，它的輸出信號是相位差為90?的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產生的脈沖信號（它作為碼盤的基準位置，給計數體系提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的相位干系（超前或滯后）可鑒定旋轉的方向。由圖3（a）可見，當碼盤正轉時，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉時，A道脈沖比B道滯后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沖與B道整形波相‘與’，當碼盤正轉時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈沖源和脈沖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）輸出信號，其相位差為π/N，可計數脈沖為2N倍光柵數，如今N=2。圖3電路的缺點是偶然會產生誤記脈沖造成偏差，這種環境出如今當某一道信號處于‘高’或‘低’電平狀態，而另一道信號正處于‘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沖。比方，碼盤產生抖動或手動對準位置時（下面可以看到，在重力儀丈量時就會有這種環境）。

　　圖4是一個既能防備誤脈沖又能進步辨別率的四倍頻細分電路。在這里，采取了有印象作用的D型觸發器和時鐘產生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發器串接，如許，在時鐘脈沖的隔斷中，兩個Q端（如對應B道的74LS175的第2、7引腳）保留前兩個時鐘期的輸進狀態，若兩者雷同，則表現時鐘隔斷中無變化；不然，可以根據兩者干系鑒定出它的變化方向，從而產生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當某道由于振動在‘高’、‘低’間往復變化時，將瓜代產生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個計數器代替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，時鐘產生器的頻率應大于振動頻率的大概最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內，得到了四個計數脈沖。比方，原每圈脈沖數為1000的編碼器可產生4倍頻的脈沖數是4000個，其辨別率為0.09?。實際上，如今這類傳感器產品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，以是只要加上細分與計數電路就可以構成一個角位移丈量體系(74159是4-16譯碼器)。

　　根本技能規格

　　在增量式光電編碼器的利用進程中，對付其技能規格通常會發起差別的要求，此中最要害的便是它的辨別率、精度、輸出信號的穩固性、相應頻率、信號輸出式樣。

（1）辨別率

　　光電編碼器的辨別率因此編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號根本周期數來表現的，即脈沖數/轉（PPR）。碼盤上的透光弊端的數量就便是編碼器的辨別率，碼盤上刻的弊端越多，編碼器的辨別率就越高。在財產電氣傳動中，根據差別的應用東西，可選擇辨別率通常在500~6000PPR的增量式光電編碼器，最高可以到達幾萬PPR。交換伺服電機控制體系中通常選用辨別率為2500PPR的編碼器。別的對光電轉換信號舉行邏輯處理，可以得到2倍頻或4倍頻的脈沖信號，從而進一步進步辨別率。

（2）精度

　　增量式光電編碼器的精度與辨別率完全無關，這是兩個差別的見解。精度是一種度量在所選定的辨別率范疇內，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的本領。精度通常用角度、角分或角秒來表現。編碼器的精度與碼盤透光弊端的加工質量、碼盤的機器旋轉環境的制造精度因素相關，也與安置技能相關。

（3）輸出信號的穩固性

　　編碼器輸出信號的穩固性是指在實際運行條件下，保留法則精度的本領。影響編碼器輸出信號穩固性的重要因素是溫度對電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不克保留法則的輸出特性，在計劃和利用中都要賜與富裕思考。

（4）相應頻率

　　編碼器輸出的相應頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的相應速率。當編碼器高速旋轉時，倘若其辨別率很高，那么編碼器輸出的信號頻率將會很高。倘若光電檢測器件和電子線路元器件的勞動速率與之不克相合適，就有大概使輸出波形緊張畸變，乃至產生丟失脈沖的表象。如許輸出信號就不克精確反應軸的位置信息。以是，每一種編碼器在其辨別率肯定的環境下，它的最高轉速也是肯定的，即它的相應頻率是受限定的。編碼器的最大相應頻率、辨別率和最高轉速之間的干系請參考其他資料。

（5）信號輸出式樣

　　在大多數環境下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不法則，還不克合適于控制、信號處理和遠離斷傳輸的要求。以是，在編碼器內還務必將此信號放大、整形。議決處理的輸出信號平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易舉行數字處理，以是這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應用。采取正弦波輸出信號時根本消除了定位中斷時的振蕩表象，并且容易議決電子內插要領，以較低的資本得到較高的辨別率。

　　增量式光電編碼器的信號輸出式樣有：集電極開路輸出（OpenCollector）、電壓輸出（VoltageOutput）、線驅動輸出（LineDriver）、互補型輸出（ComplementalOutput）和推挽式輸出（TotemPole）。

　　集電極開路輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，斷開集電極與+Vcc的端子并把集電極作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接納裝置的電壓不一概的環境下，發起利用這種類別的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。重要應用范疇有電梯、紡織機器、注油機、主動化配置、切割機器、印刷機器、包裝機器和針織機器等。

　　電壓輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，集電極度子與+Vcc和負載電阻相連，并作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接納裝置的電壓一概的環境下，發起利用這種類別的輸出電路。重要應用范疇有電梯、紡織機器、注油機、主動化配置、切割機器、印刷機器、包裝機器和針織機器等。

　　線驅動輸出這種輸出方法將線驅動專用IC芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路，由于它具有高速相應和精良的抗噪聲性能，使得線驅動輸出適宜長隔斷傳輸。重要應用范疇有伺服電機、呆板人、cnc加工機器等。

　　互補型輸出這種輸出方法由上下兩個分別為PNP型和NPN型的三極管構成，當此中一個三極管導通時，別的一個三極管則關斷。這種輸出式樣具有高輸進阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗環境下它也可以提供大范疇的電源。由于輸進、輸出信號相位雷同且頻率范疇寬，因此它得當長隔斷傳輸。重要應用于電梯范疇或專用范疇。

　　推挽式輸出這種輸出方法由上下兩個NPN型的三極管構成，當此中一個三極管導通時，別的一個三極管則關斷。電流暢過輸出側的兩個晶體管向兩個方向流進，并始終輸出電流。因此它阻抗低，并且不太受噪聲和變形波的影響。重要應用范疇有電梯、紡織機器、注油機、主動化配置、切割機器、印刷機器、包裝機器和針織機器等。