光电编码器工作原理

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1、编码器工作原理,光电编码器的工作原理分析 编码器工作原理绝对脉冲编码器:APC增量脉冲编码器:SPC两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件.旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术 参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指 旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90 度 的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。增量型编码器与绝对型编码器的区分编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。增量型编码器 （旋转型）工作原理: 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有

2、光电发射和接收 器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位 差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上， 可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90 度,可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编 码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻 线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金 属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料 码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定

3、性、寿命均要差一些。分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称 解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 510000 线。信号输出:信号输出有正弦波（电流或电压）力波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接一编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算 机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B 两相联接，用于正反向计数、判断正反

4、向和测速。A、 B、 Z 三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆 贡献的电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。对于 TTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。对于 HTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 300 米。编码器的定义与功能：在数字系统里，常常需要将某一信息（输入）变换为某一特定的代码（输出）。 把二进制码按一定的规律编排，例如 8421 码、格雷码等，使每组代码具有一特 定的含义（代表某个数字或控制信号）称为编码。具有编码功能的逻辑电路称为 编码器。编码

5、器有若干个输入，在某一时刻只有一个输入信号被转换成为二进制 码。如果一个编码器有 N 个输入端和 n 个输出端，则输出端与输入端之间应满足 关系NW2n。例如8线一3线编码器和10线一4线编码器分别有8输入、3位二 进制码输出和 10 输入、 4 位二进制码输出。1.4 线一2 线编码器 下面分析 4 输入、 2 位二进制输出的编码器的工作原理。 4 线一2 线编码器的功 能如表 5.2.1 所示。根据逻辑表达式画出逻辑图如图 5.2.1 所示。该逻辑电路可以实现如表 5.2.1 所示的功能，即当1013中某一个输入为1,输出Y1Y0即为相对应的代码，例 如当II为1时，Y1Y0为01。这里还

6、有一个问题请读者注意。当I0为1，II I3 都为 0 和 I0I3 均为 0 时 Y1Y0 都是 00，而这两种情况在实际中是必须加以 区分的，这个问题留待后面加以解决。当然，编码器也可以设计为低电平有效。2.键盘输入8421BCD码编码器计算机的键盘输入逻辑电路就是由编码器组成。图5.2.2是用十个按键和门电路 组成的8421码编码器，其功能如表5.2.2所示，其中SOS9代表十个按键， 即对应十进制数09的输入键，它们对应的输出代码正好是8421BCD码，同时 也把它们作为逻辑变量，ABCD为输出代码（A为最高位），GS为控制使能标志。对功能表和逻辑电路进行分析，都可得知：该编码器为输入

7、低电平有效；在 按下SOS9中任意一个键时，即输入信号中有一个为有效电平时，GS = 1,代表 有信号输入，而只有SOS9均为高电平时GS = O,代表无信号输入此时的输出 代码 0000 为无效代码。由此解决了前面提出的如何区分两种情况下输出都是全 O 的问题。表5. 2.2十t按饌&121BCD码编码器功1譲AuS；5*s.S* Si 監SjSt SsA&匚DG$=11J11E3i1Ifl-00tfl1111 1 1lilt061I11IL3ia1(g0111ii1i111i1&Ii1111t1 J 111-0I111111I93111119聊I111111till111111J0 1 1

8、I1FT11甲111I1 1 1Illi11T1t11 1 11111100）t10)11 1 1Illi1I13综上所述，对编码器归纳为以下几点：1. 编码器的输入端子数N （要进行编码的信息的个数）与输出端子数n （所得编 码的位数）之间应满足关系式NW2n。2. 编码器的每个输入端都代表一个二进制数、十进制数或其它信息符号，而且在 N 个输入端中每次只允许有一个输入端输入信号（输入低电平有效或输入高电平 有效），输出为相应的二进制代码或二一十进制代码（BCD码）。3. 正确使用编码器的控制端，可以用来扩展编码器的功能。一、光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械

9、几何位移量转换成脉冲或数 字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在 一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与 电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向， 码盘还可提供相位相差 90o 的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法 及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。（一）增量式编码器增量式编码器是直

10、接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两 组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是 原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点 是无法输出轴转动的绝对位置信息。（二）绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码 道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就 是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同 位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的

11、电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要 计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越 高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编 码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码， 根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的 特点是：1可以直接读出角度坐标的绝对值；2没有累积误差；3电源切除后位置信息不会丢失。但是

12、分辨率是由二进制的位数来决定的，也 就是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。（三）混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对 信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电 转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛 应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。二、光电编码器的应用电路（一）EPC 755A光电编码器的应用EPC 755A光电编码器具备良好的使用性能，

13、在角度测量、位移测量时抗干扰能 力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们 在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC 755A光电编码器作为传感器，其输出电 路选用集电极开路型，输出分辨率选用 360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋 转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图 2 给出了光电编码器实际使用的鉴相 与双向计数电路，鉴相电路用 1 个 D 触发器和 2 个与非门组成，计数电路用 3 片 74LS193 组成当光电编码器顺时针旋转时，通道 A 输出波形超前通道 B 输出波形 90

14、，D 触发 器输出Q （波形W1）为高电平，Q （波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形W3）,送至 双向计数器 74LS193 的加脉冲输入端CU,进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波 形W4）。当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90, D触发器输出Q （波 形W1）为低电平，Q （波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形W3）；此时，下面与非 门打开，计数脉冲通过（波形W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行减法计数。汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为 360 个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为 900 个；实际使用的计数电路用 3 片 74LS193 组成，在系 统上电初始化时，先对其进行复位（CLR信号），再将其初值设为800H，即2048（LD信号）；如此，当方 向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为20482948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为 20481148 ；计数电路的数据输出 D0D11 送至数据处理电路。实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作 较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是 2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题， 我们增加了一个方向盘回中