光電編碼器原理及應用電路

光電編碼器原理及應用電路
1.光電編碼器原理

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。
1.1增量式編碼器

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信號，形成二進位數。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一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，對於一個具有 N位二進位解析度的編碼器，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或循環二進位（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碼、循環碼、二進位補碼等。它的特點是：
1.2.1可以直接讀出角度坐標的絕對值；
1.2.2沒有累積誤差；
1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。但是解析度是由二進位的位數來決定的，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，它輸出兩組信息：一組信息用於檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；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,介面數字化等優點。它廣泛應用於數控機床、迴轉台、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。
2. 光電編碼器的應用電路
2.1 EPC－755A光電編碼器的應用


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，下面與非門打開，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，先對其進行複位(CLR信號)，再將其初值設為800H，即2048(LD信號)；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；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據處理電路。
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，工作較長一段時間后，方向盤迴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，我們增加了一個方向盤迴中檢測電路，系統工作后，數據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，而計數電路的數據輸出不是2048，可對計數電路進行複位，並重新設置初值。
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信號量；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佈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相脈衝信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產生的脈衝信號（它作為碼盤的基準位置，給計數系統提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的相位關係（超前或滯后）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）輸出信號，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信號處於‘高’或‘低’電平狀態，而另一道信號正處於‘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）。