面板安装编码器 – 了解基本知识

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

投稿人：DigiKey 北美编辑

本文将深入探讨面板安装旋转编码器的电气工程应用。这些器件本质上属于换能器，可将旋转位移转换成电信号，以供主机系统使用。编码器的机制涉及在旋转过程中产生脉冲，使控制设备能够辨别方向、位置、计数或速度等关键信息。

面板安装编码器对各行各业都至关重要。这些器件广泛应用于国防和航空航天、医疗、消费品、测试/计量等行业。面板安装编码器具有多功能性，可在驾驶舱控制、演播室混频器和音频设备、电子实验室和仪器设置、电机驱动等各种应用中发挥作用。由于用途多样，面板安装编码器成为了制作精确控制接口的首选。本文将探讨面板安装旋转编码器的基本工作原理，阐明关键规格和考量因素。

面板安装编码器的基础知识

就旋转编码器而言，面板安装编码器之所以得名，就是因为该器件实际上安装在面板上。这些器件主要服务于人机接口功能，例如立体声音响上的音量旋钮。其作用是让用户能够操纵各种系统参数，充当用户与系统处理器之间的通道。

将面板安装旋转编码器与[电位计]（另一种面板安装元器件，具有将旋转位移转换为信号的类似功能）进行比较后发现，前者具有明显的优势。面板安装编码器的制造公差更小，因此精度和一致性更高。此外，这些器件的数字输出可与现代数字器件无缝对接，无需使用模数转换器，从而降低了成本，减少了潜在错误。不过，如果您对电位计感到好奇，请参阅 [CUI Devices] 的文章[“The Complete Guide to Potentiometers”]（电位计完全指南），此文对这些相似但又不同的元器件进行了全面的探讨。

面板安装编码器的规格和考量因素

在深入研究面板安装旋转编码器的具体特性时，有几项关键规格和考量因素值得进一步关注。PPR，即每转脉冲数，是一个突出的定义指标，通过指示每旋转 360 度所产生的方波脉冲数来量化编码器的分辨率（图 1）。分辨率还可用 CPR（每转计数）度量，计算公式为 PPR 乘以 4，表示每转产生的正交状态变化数。如需全面了解这些指标，请参阅 CUI Devices 的文章[“What’s the Difference Between an Incremental Encoder’s PPR, CPR, and LPR?”]（增量编码器的 PPR、CPR 和 LPR 之间有什么区别？），此文可为您提供宝贵资源。

图 1：通过从一个相同点到下一个相同点的波形来测量脉冲。（图片来源：CUI Devices）

棘爪是一个不可或缺的功能，在轴旋转的过程中，棘爪会发出“咔嗒”声，以此为用户提供反馈。棘爪以每旋转 360 度发出咔嗒声的次数指定，可用于防止意外旋转，并以轴移动的特定度数提供触觉指示。

除了编码器本身的功能，按压开关功能还引入了额外的用户输入信号。按下编码器轴，即可启动一个简单的 SPST 开关。该开关通常用于选择通过转动编码器旋钮进行操纵的功能。

旋转编码器利用两个通道偏移 90 度电角度的方波来辨别方向。通过这些通道之间的相对相移，可检测到前导通道，进而可靠地指示旋转方向（图 2）。

图 2：通过检测前导信号监测顺时针或逆时针旋转。（图片来源：CUI Devices）

为了追求更高的分辨率，许多应用选择正交状态变化，即一个周期涉及两个通道从低到高，再回到低的转换过程。这种方法可有效地增加每转计数，提高编码器跟踪旋转运动的分辨率和精度。这是一种巧妙的策略，可从每转中提取更详细的信息，优化编码器在各种应用中的性能。

| | 位置 | 状态 |

A	B
1	0
2	1
3	1
4	0
1	0
2	1
3	1
4	0
1	0
2	1
3	1
4	0

图 3：正交真值表。（图片来源：CUI Devices）

将面板安装编码器连接到微控制器时需要建立一个电路，其中微控制器输出电流，提供 V+ 通路，而编码器则提供接地通路。这种协作形成了一个完整的电路，可在编码器与微控制器之间实现无缝通信。“开集极”一词也可与“漏极”互换使用，表示输出晶体管的集电极在设备外部。这都是在为数据交换建立有效的电气通道。

此外，还要注意区分微控制器使用的不同计数方法：

1. 单通道脉冲： 这种简单的方法为每个脉冲分配 1 个计数，简化了计数过程，适用于只需基本计数的应用。
2. 双通道脉冲： 利用两个通道有效地将计数增加一倍，从而更详细、更准确地表示编码器的运动。
3. 正交状态变化： 选择正交状态变化可利用每个周期的四个计数，在跟踪旋转移位时提供更高的分辨率和精度。

机械与光学

一般来说，面板安装编码器采用两种主要技术：机械和光学技术。

机械编码器以开关阵列运行，依靠触点沿外缘等距分布的码盘。同时，有一个固定触点固定在编码器底座上（图 4）。当码盘旋转时，它将依次与码盘触点接触和断开，每次一个。电路中的这种周期性接合与脱离动作会产生电压脉冲，这就是旋转运动转换为电信号的基本机制。

图 4：机械编码器的内部工作原理。（图片来源：CUI Devices）

必须强调的是，机械编码器本质上是一个机械开关阵列，必须使用去抖电路和编程才能确保有用的输出。虽然在理想情况下，开关会表现出明确的开关状态，但实际情况却更为复杂。开关会在这些状态之间悬停或弹跳，导致信号失真。这种弹跳现象称为开关弹跳，会被错误地解读为额外脉冲，从而给系统带来不准确性。

为减少开关弹跳，需要使用去抖电路（图 5）。这种电路设计用于“纠正”输出，确保信号准确地呈现预期的开/关状态，而不受弹跳或悬停效应的干扰。这种对信号完整性的关注对于实现机械编码器的可靠和精确性能至关重要。

图 5：去抖电路有助于“纠正”机械编码器的输出。（图片来源：CUI Devices）

另一方面，光学编码器由三个基本元器件组成：光源、光检测器和码盘。以下是其详细运行情况：

1. 光源： 该元器件可发出光线。
2. 光检测器： 位于光源的另一侧，可感应发出的光线。
3. 码盘： 位于光源与检测器之间，具有等距分布的狭缝。这些狭缝交替允许光线通过或阻挡光线。

运行周期涉及光源通过码盘上的狭缝照射出来。检测器根据狭缝是允许光线通过还是阻挡光线来记录光强度的变化。内部电路根据光线的检出或阻挡情况，启用或禁用输出。通过这种机制，光学编码器即可有效地将位置信息转化为电信号。

图 6：光学编码器的内部工作原理。（图片来源：CUI Devices）

综上所述，机械编码器经济高效，用途广泛，电压范围较宽。然而，此类编码器需要去抖电路才能获得可靠的信号，而且生命周期较短。相反地，光学编码器通常更昂贵，但使用寿命较长。此类编码器可提供更纯净的输出信号，无需去抖电路。此外，在精密应用中，光学编码器可提供更高的分辨率。

总结

面板安装编码器将继续在各行各业的各种用户接口应用中占据一席之地。全面掌握现有的编码器技术、基本规格和设计考量因素对于优化设备选择至关重要。CUI Devices 提供一系列机械和光学[面板安装编码器]，几乎可满足所有设计要求。除面板安装编码器外，CUI Devices 基于电容的 [AMT 旋转编码器]还拥有其他编码器技术所不具备的精度和耐用性。