在數字時代，需要快速高效地測量電機或旋轉儀器旋鈕上的機械軸的旋轉。諸如電位計和旋轉開關之類的模擬方法正在被可將旋轉運動直接數字化的旋轉編碼器所取代，但設計人員需要能夠理解各種編碼器類型之間的差異，并準確解析編碼器的數字輸出。

本文將介紹旋轉編碼器的作用及其工作原理。然后說明如何解釋其信號，最后再介紹幾個編碼器解決方案及其實際應用。

旋轉編碼器的作用

旋轉編碼器是一種測量機械軸旋轉的傳感器。軸可位于電機上，旋轉編碼器就在這里讀取角位置或轉速。它們還可以讀取儀器或設備前面板上的表盤、旋鈕或其他電子控制裝置的角位置，替代電位計和旋轉開關。

讓我們來看看家電上的定時器控制裝置。在以前的模擬時代，可使用可變電阻器或電位計來感測該控制裝置的位置。利用當今基于微處理器的設計，旋轉編碼器可生成更高效的數字輸入。

編碼器還可以用在控制系統中，為機械零件提供反饋，讓它進行移動以正確響應控制命令。無論是汽車還是機器人設備中的控制系統，編碼器都可以為控制微處理器提供必要的感測。像單匝電位計這樣的舊式解決方案感測不到軸的完整旋轉，但旋轉編碼器可感測完整旋轉且無需停止。

旋轉編碼器將這些機械位移轉換為可發送到處理器進行解析的電信號。根據編碼器的電輸出，可以推導出旋轉方向、角位置和旋轉速度。與電位計相比，旋轉編碼器的數字輸出使得這個過程更簡單。

旋轉編碼器的工作原理

編碼器主要有兩種類型，增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器讀取角度位移的變化，而絕對編碼器讀取編碼軸的絕對角度。它們是使用了三種常用技術來實現的，即光學、機械或磁性技術。

光學編碼器采用編碼圓盤構造，碼盤具有透光和遮光區段，可讓光透過特定區域。光電二極管在碼盤兩側使用 LED 和光電二極管（圖 1），光電二極管檢測透過碼盤的光，并輸出對應碼盤區段上透光和遮光圖案的脈沖波形。

圖 1：增量式和絕對式碼盤示例。增量式碼盤產生兩個方波信號，它們之間有 90° 的相位差。絕對式碼盤輸出二進制編碼數據。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

圖 1 中的絕對式碼盤有四個輸出，為碼盤上每個區段提供唯一的二進制代碼，在此例中該代碼為 16（表 1）。二進制代碼的替代方案是格雷碼，它是一種相鄰二進制字間僅差一個位元改變的二進制代碼。

表 1：四位絕對編碼器的十六個二進制狀態。（表格來源：Digi-Key Electronics）

增量式碼盤生成的圖案由兩個方波組成，相位差為 90°，稱為正交輸出。也可以使用單行圖案和兩個移位相當于 90° 相移的光電傳感器實現此輸出。

正交增量編碼器的輸出通常稱為“A”和“B”。編碼器還可以包括第三脈沖，每轉一次產生一個脈沖，被稱為索引脈沖，提供已知的物理參考。通過將索引脈沖與正交輸出相結合，可以計算出絕對軸方向。

通過獲取兩個具有 90° 相移的輸出，不僅可以感測角度旋轉，還可以感測旋轉方向（圖 2）。

圖 2：正交信號之間的相位關系可確定編碼器碼盤的運動方向。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

編碼器軸順時針旋轉時，A 波形將引導 B 波形。如果旋轉方向變為逆時針方向，則信號 B 將引導信號 A。

利用兩個正交信號，可以解析每個周期的四種狀態。單個周期內的狀態為 A = 1 和 B = 0、A = 1 和 B = 1、A = 0 和 B = 1 以及最后的 A = 0 和 B = 0。這意味著正交輸出編碼器的角度分辨率是每轉額定脈沖數 (PPR) 的四倍。

通過在示波器上查看和測量光學編碼器的正交輸出，可以得到輸出之間的相位關系（圖 3）。A 信號顯示在上方跡線中，而 B 信號顯示在下方跡線中。設置示波器相位參數 P1 來測量 A 和 B 信號之間的相位差。兩個信號之間的平均相位差為 90.4?。

圖 3：每轉 512 脈沖數光學編碼器的正交輸出顯示了 A 和 B 信號輸出間的相位關系（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在該示例中僅使用單個 A 輸出，因為編碼器被用作轉速計，測量電機的轉速。使用示波器參數 P2 測得 A 信號的頻率為 28.87 千赫茲 (kHz)。此數值除以每轉 512 脈沖數 (PPR) 轉換為軸速度，然后乘以 60 得到軸角速度（單位為每分鐘轉數 (RPM)），即參數 P3 中的讀數 3383 RPM。

基于這些數字，該編碼器的 512 PPR 可提供 0.7 度的基本分辨率。通過解析 A/B 狀態，分辨率則可達 0.175?。

光學編碼器在所有編碼器類型中分辨率最高，這是其天生優勢。由于其成本較低，因此很適合價格低廉的低端應用。缺點是，它們可能較為笨重。

機械編碼器使用一個旋轉碼盤，其中包含與光學編碼器所用圖案相同的同心環。在這些同心環中，圖案由導電區和絕緣區組成。固定電刷觸點在旋轉碼盤上滑動，與每個環接觸，起到開關的作用。隨著觸點在碼盤表面來回刷動，在刷過導電區時進行接觸，或在刷過絕緣區時斷開。通過這種方式為每個環開發出一個數字圖案。

機械編碼器可能出現的一個問題是觸點抖動會引起噪聲。通過使用低通濾波可以消除此類噪聲，或在抖動噪聲消失后使用軟件查看輸出狀態。

機械編碼器通常是最便宜的編碼器類型。它們在電子前面板上通常作為用戶接口設備，用來取代電位計。

磁性旋轉編碼器使用了一塊多極圓形磁鐵。通過霍爾效應或磁阻傳感器來檢測交替的南北磁極，隨著磁鐵轉動而產生正交電輸出。與光學編碼器一樣，磁性編碼器為非接觸式，相比接觸式機械編碼器，操作時速度更高，持續時間更長。

使用旋轉編碼器

旋轉編碼器的機電特性要求其與機械裝置連接，或需要用戶操作。在電子設備上用作控制接口時，編碼器會使用實心軸，并且通常使用面板安裝襯套安裝在控制面板上，同時會使用五金件進行固定。

設計人員可以選擇諸如棘爪之類的選件，以便在編碼器旋轉時引起機械“咔嗒”聲，從而為用戶提供編碼器軸正在移動的觸覺反饋。設計人員還可以選擇一個瞬時接觸開關，通過按下編碼器軸來激活。

旨在安裝在旋轉機器（如電機或伺服電機）上的編碼器有空心軸或盲軸兩種選擇（圖 4）。

圖 4：采用空心軸或盲軸配置的編碼器旨在安裝在電機或其他機電設備上。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

空心軸編碼器安裝在電機或類似機械裝置的軸上。這樣可確保其與被監控設備同心安裝，避免出現不對稱或角度誤差。盲軸是深度有限的空心軸，用于將編碼器安裝在電機軸的端部。

編碼器選擇和應用

旋轉編碼器的選擇取決于應用要求和環境以及成本限制。

CTS Electronic Components 的 291V1022F832AB 是一種光學增量編碼器，具有 8 PPR 角度分辨率，采用 5 伏電源供電（圖 5）。291 系列支持 4 到 64 PPR 的 PPR 分辨率，提供不同的軸類型和長度以及棘爪選擇，還可搭配一個一體式開關。該編碼器的額定旋轉壽命高達 300 萬轉。

圖 5：旨在用作面板安裝控制裝置的帶有典型螺紋襯套、鎖緊墊圈和鎖緊螺母的 CTS 291V1022F832AB。（圖片來源：CTS）

CTS 291系列光學編碼器非常適合用于儀器控制應用，包括醫療和實驗室設備、通信、工業、HVAC、運輸、安全、音頻和家庭娛樂設備。

Bourns Inc. 的 EMS22Q51-D28-LT4 是一款 32 PPR 至 256 PPR 增量式磁性編碼器，采用 5 伏或 3.3 伏電源供電。該器件是 EMS22Q 系列非接觸式編碼器的一員，支持 32 至 256 PPR 角度分辨率。與之前的編碼器一樣，它具有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉壽命達 5000 萬轉。這些編碼器非常適合用于溫度極端、潮濕和存在顆粒污染的惡劣工業環境。

此外，與許多編碼器一樣，該設備的連接和使用很簡單（圖 6）。

圖 6：EMS22Q51-D28-LT4 的引腳詳細信息（左側插圖）和框圖顯示了將 256 PPR 增量磁性非接觸式編碼器連接到微控制器的簡易性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

EMS22Q 系列有六個引腳。電源和接地引腳各一個，連接微控制器或微處理器的低有效片選一個，索引引腳一個，數據引腳兩個（A 和 B）。得到的正交輸出如圖 7 所示。

圖 7：PPR 范圍為 32 至 256 的 EMS22Q 產生的正交輸出。（圖片來源：Bourns Inc.）

機械編碼器對于低成本和業余愛好者應用設備的設計人員來說，非常有用，如 TT Electronics 的 EN11-HSM1AF15 20 PPR 編碼器。該編碼器屬 EN11 系列，提供 15 或 20 PPR 的角度分辨率、各種軸和襯套長度、可選開關以及多種棘爪配置選擇。該編碼器采用 5 伏電源供電，價格約為光學編碼器的十分之一，旋轉壽命為 30,000 轉。

總結

旋轉編碼器可快速有效地感測前面板控制裝置、機器人手臂或旋轉電機軸的角度旋轉并進行數字化轉換，填補了相關需求。增量編碼器或絕對編碼器為微處理器或微控制器提供了必要的接口，可感測和控制機電系統組件。