作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

投稿人：DigiKey 北美編輯

本文將深入探討面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的電氣工程應(yīng)用。這些器件本質(zhì)上屬于換能器，可將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以供主機(jī)系統(tǒng)使用。編碼器的機(jī)制涉及在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生脈沖，使控制設(shè)備能夠辨別方向、位置、計(jì)數(shù)或速度等關(guān)鍵信息。

面板安裝編碼器對(duì)各行各業(yè)都至關(guān)重要。這些器件廣泛應(yīng)用于國(guó)防和航空航天、醫(yī)療、消費(fèi)品、測(cè)試/計(jì)量等行業(yè)。面板安裝編碼器具有多功能性，可在駕駛艙控制、演播室混頻器和音頻設(shè)備、電子實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等各種應(yīng)用中發(fā)揮作用。由于用途多樣，面板安裝編碼器成為了制作精確控制接口的首選。本文將探討面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的基本工作原理，闡明關(guān)鍵規(guī)格和考量因素。

面板安裝編碼器的基礎(chǔ)知識(shí)

就旋轉(zhuǎn)編碼器而言，面板安裝編碼器之所以得名，就是因?yàn)樵撈骷?shí)際上安裝在面板上。這些器件主要服務(wù)于人機(jī)接口功能，例如立體聲音響上的音量旋鈕。其作用是讓用戶能夠操縱各種系統(tǒng)參數(shù)，充當(dāng)用戶與系統(tǒng)處理器之間的通道。

將面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器與[電位計(jì)]（另一種面板安裝元器件，具有將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為信號(hào)的類似功能）進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，前者具有明顯的優(yōu)勢(shì)。面板安裝編碼器的制造公差更小，因此精度和一致性更高。此外，這些器件的數(shù)字輸出可與現(xiàn)代數(shù)字器件無(wú)縫對(duì)接，無(wú)需使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而降低了成本，減少了潛在錯(cuò)誤。不過(guò)，如果您對(duì)電位計(jì)感到好奇，請(qǐng)參閱 [CUI Devices] 的文章[“The Complete Guide to Potentiometers”]（電位計(jì)完全指南），此文對(duì)這些相似但又不同的元器件進(jìn)行了全面的探討。

面板安裝編碼器的規(guī)格和考量因素

在深入研究面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的具體特性時(shí)，有幾項(xiàng)關(guān)鍵規(guī)格和考量因素值得進(jìn)一步關(guān)注。PPR，即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，是一個(gè)突出的定義指標(biāo)，通過(guò)指示每旋轉(zhuǎn) 360 度所產(chǎn)生的方波脈沖數(shù)來(lái)量化編碼器的分辨率（圖 1）。分辨率還可用 CPR（每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)）度量，計(jì)算公式為 PPR 乘以 4，表示每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正交狀態(tài)變化數(shù)。如需全面了解這些指標(biāo)，請(qǐng)參閱 CUI Devices 的文章[“What’s the Difference Between an Incremental Encoder’s PPR, CPR, and LPR?”]（增量編碼器的 PPR、CPR 和 LPR 之間有什么區(qū)別？），此文可為您提供寶貴資源。

圖 1：通過(guò)從一個(gè)相同點(diǎn)到下一個(gè)相同點(diǎn)的波形來(lái)測(cè)量脈沖。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

棘爪是一個(gè)不可或缺的功能，在軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，棘爪會(huì)發(fā)出“咔嗒”聲，以此為用戶提供反饋。棘爪以每旋轉(zhuǎn) 360 度發(fā)出咔嗒聲的次數(shù)指定，可用于防止意外旋轉(zhuǎn)，并以軸移動(dòng)的特定度數(shù)提供觸覺(jué)指示。

除了編碼器本身的功能，按壓開(kāi)關(guān)功能還引入了額外的用戶輸入信號(hào)。按下編碼器軸，即可啟動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單的 SPST 開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)通常用于選擇通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器旋鈕進(jìn)行操縱的功能。

旋轉(zhuǎn)編碼器利用兩個(gè)通道偏移 90 度電角度的方波來(lái)辨別方向。通過(guò)這些通道之間的相對(duì)相移，可檢測(cè)到前導(dǎo)通道，進(jìn)而可靠地指示旋轉(zhuǎn)方向（圖 2）。

圖 2：通過(guò)檢測(cè)前導(dǎo)信號(hào)監(jiān)測(cè)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

為了追求更高的分辨率，許多應(yīng)用選擇正交狀態(tài)變化，即一個(gè)周期涉及兩個(gè)通道從低到高，再回到低的轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種方法可有效地增加每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，提高編碼器跟蹤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分辨率和精度。這是一種巧妙的策略，可從每轉(zhuǎn)中提取更詳細(xì)的信息，優(yōu)化編碼器在各種應(yīng)用中的性能。

| | 位置 | 狀態(tài) |

圖 3：正交真值表。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

將面板安裝編碼器連接到微控制器時(shí)需要建立一個(gè)電路，其中微控制器輸出電流，提供 V+ 通路，而編碼器則提供接地通路。這種協(xié)作形成了一個(gè)完整的電路，可在編碼器與微控制器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信。“開(kāi)集極”一詞也可與“漏極”互換使用，表示輸出晶體管的集電極在設(shè)備外部。這都是在為數(shù)據(jù)交換建立有效的電氣通道。

此外，還要注意區(qū)分微控制器使用的不同計(jì)數(shù)方法：

1. 單通道脈沖： 這種簡(jiǎn)單的方法為每個(gè)脈沖分配 1 個(gè)計(jì)數(shù)，簡(jiǎn)化了計(jì)數(shù)過(guò)程，適用于只需基本計(jì)數(shù)的應(yīng)用。
2. 雙通道脈沖： 利用兩個(gè)通道有效地將計(jì)數(shù)增加一倍，從而更詳細(xì)、更準(zhǔn)確地表示編碼器的運(yùn)動(dòng)。
3. 正交狀態(tài)變化： 選擇正交狀態(tài)變化可利用每個(gè)周期的四個(gè)計(jì)數(shù)，在跟蹤旋轉(zhuǎn)移位時(shí)提供更高的分辨率和精度。

機(jī)械與光學(xué)

一般來(lái)說(shuō)，面板安裝編碼器采用兩種主要技術(shù)：機(jī)械和光學(xué)技術(shù)。

機(jī)械編碼器以開(kāi)關(guān)陣列運(yùn)行，依靠觸點(diǎn)沿外緣等距分布的碼盤。同時(shí)，有一個(gè)固定觸點(diǎn)固定在編碼器底座上（圖 4）。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，它將依次與碼盤觸點(diǎn)接觸和斷開(kāi)，每次一個(gè)。電路中的這種周期性接合與脫離動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖，這就是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的基本機(jī)制。

圖 4：機(jī)械編碼器的內(nèi)部工作原理。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

必須強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)械編碼器本質(zhì)上是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)陣列，必須使用去抖電路和編程才能確保有用的輸出。雖然在理想情況下，開(kāi)關(guān)會(huì)表現(xiàn)出明確的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但實(shí)際情況卻更為復(fù)雜。開(kāi)關(guān)會(huì)在這些狀態(tài)之間懸停或彈跳，導(dǎo)致信號(hào)失真。這種彈跳現(xiàn)象稱為開(kāi)關(guān)彈跳，會(huì)被錯(cuò)誤地解讀為額外脈沖，從而給系統(tǒng)帶來(lái)不準(zhǔn)確性。

為減少開(kāi)關(guān)彈跳，需要使用去抖電路（圖 5）。這種電路設(shè)計(jì)用于“糾正”輸出，確保信號(hào)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)預(yù)期的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，而不受彈跳或懸停效應(yīng)的干擾。這種對(duì)信號(hào)完整性的關(guān)注對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)械編碼器的可靠和精確性能至關(guān)重要。

圖 5：去抖電路有助于“糾正”機(jī)械編碼器的輸出。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

另一方面，光學(xué)編碼器由三個(gè)基本元器件組成：光源、光檢測(cè)器和碼盤。以下是其詳細(xì)運(yùn)行情況：

1. 光源： 該元器件可發(fā)出光線。
2. 光檢測(cè)器： 位于光源的另一側(cè)，可感應(yīng)發(fā)出的光線。
3. 碼盤： 位于光源與檢測(cè)器之間，具有等距分布的狹縫。這些狹縫交替允許光線通過(guò)或阻擋光線。

運(yùn)行周期涉及光源通過(guò)碼盤上的狹縫照射出來(lái)。檢測(cè)器根據(jù)狹縫是允許光線通過(guò)還是阻擋光線來(lái)記錄光強(qiáng)度的變化。內(nèi)部電路根據(jù)光線的檢出或阻擋情況，啟用或禁用輸出。通過(guò)這種機(jī)制，光學(xué)編碼器即可有效地將位置信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

圖 6：光學(xué)編碼器的內(nèi)部工作原理。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

綜上所述，機(jī)械編碼器經(jīng)濟(jì)高效，用途廣泛，電壓范圍較寬。然而，此類編碼器需要去抖電路才能獲得可靠的信號(hào)，而且生命周期較短。相反地，光學(xué)編碼器通常更昂貴，但使用壽命較長(zhǎng)。此類編碼器可提供更純凈的輸出信號(hào)，無(wú)需去抖電路。此外，在精密應(yīng)用中，光學(xué)編碼器可提供更高的分辨率。

總結(jié)

面板安裝編碼器將繼續(xù)在各行各業(yè)的各種用戶接口應(yīng)用中占據(jù)一席之地。全面掌握現(xiàn)有的編碼器技術(shù)、基本規(guī)格和設(shè)計(jì)考量因素對(duì)于優(yōu)化設(shè)備選擇至關(guān)重要。CUI Devices 提供一系列機(jī)械和光學(xué)[面板安裝編碼器]，幾乎可滿足所有設(shè)計(jì)要求。除面板安裝編碼器外，CUI Devices 基于電容的 [AMT 旋轉(zhuǎn)編碼器]還擁有其他編碼器技術(shù)所不具備的精度和耐用性。