作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

　　本文將深入探討面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的電氣工程領域。這些設備本質(zhì)上是傳感器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為主機系統(tǒng)的電信號。編碼器的機制涉及在旋轉(zhuǎn)過程中生成脈沖，從而使控制設備能夠識別方向、位置、計數(shù)或速度等關鍵信息。

　　面板安裝編碼器對于各個行業(yè)都至關重要。它們遍布國防和航空航天、醫(yī)療、消費品、測試/測量等行業(yè)。面板安裝編碼器的多功能性使其能夠在駕駛艙控制、工作室混音器和音頻設備、電子實驗室和儀器設置、電機驅(qū)動器等各種應用中發(fā)揮作用。由于其多功能性，面板安裝編碼器是首選用于制作精確的控制界面。本文將探討面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的基本工作原理，闡明關鍵規(guī)格和注意事項。

　　面板安裝編碼器基礎知識

　　當談到旋轉(zhuǎn)編碼器時，面板安裝編碼器因其物理固定在面板上而得名。這些設備主要提供人機界面功能，例如立體聲音響上的音量旋鈕。它們的作用是使用戶能夠操縱各種系統(tǒng)參數(shù)，充當用戶和系統(tǒng)處理器之間的管道。

　　將面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器與電位器(另一種具有類似旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換功能的面板安裝組件)進行比較，顯示出明顯的優(yōu)勢。面板安裝編碼器擁有更嚴格的制造公差，從而提高了準確性和一致性。此外，它們的數(shù)字輸出與當代數(shù)字設備無縫匹配，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而降低成本和潛在錯誤。然而，對于那些對電位計感到好奇的人，CUI Devices 的文章“電位計完整指南”對這些相似但不同的組件進行了全面的探索。

　　面板安裝編碼器規(guī)格和注意事項

　　在深入研究面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的細節(jié)時，需要進一步關注幾個關鍵規(guī)格和注意事項。 PPR(即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù))是一個突出的定義指標，它通過指示每 360 度旋轉(zhuǎn)生成的方波脈沖數(shù)來量化編碼器的分辨率(圖 1)。分辨率也可以以 CPR(每轉(zhuǎn)計數(shù))的形式提供，計算方式為 PPR 乘以 4，表示每轉(zhuǎn)正交狀態(tài)變化的數(shù)量。為了全面了解這些指標，CUI Devices 的文章“增量編碼器的 PPR、CPR 和 LPR 有什么區(qū)別?”是一種寶貴的資源。

　　圖 1：脈沖以從一個相同點到下一個相同點的波形進行測量。 (圖片來源：CUI 設備)

　　棘爪是一項不可或缺的功能，在軸旋轉(zhuǎn)期間通過聽到“咔嗒”聲就位，從而為用戶提供反饋。棘爪以每 360 度旋轉(zhuǎn)的咔嗒聲來指定，用于防止意外旋轉(zhuǎn)并在軸運動的特定角度提供觸覺指示。

　　除了編碼器的功能之外，按鈕開關功能還引入了額外的用戶輸入信號。通過按下編碼器軸，可以啟動一個簡單的 SPST 開關。此功能通常用于選擇通過旋轉(zhuǎn)編碼器旋鈕來操作的功能。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器利用兩個通道偏移 90 電角度的方波來識別方向。這些通道之間的相對相移能夠檢測主導通道，從而提供可靠的旋轉(zhuǎn)方向指示(圖 2)。

　　圖 2：檢測前導信號可以監(jiān)控順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。 (圖片來源：CUI 設備)

　　為了追求增強的分辨率，許多應用選擇正交狀態(tài)變化，其中一個周期包含從低到高的轉(zhuǎn)變，然后在兩個通道上返回到低。這種方法有效地增加了每轉(zhuǎn)的計數(shù)，提高了編碼器跟蹤旋轉(zhuǎn)運動的分辨率和精度。這是一個聰明的策略，可以從每次旋轉(zhuǎn)中提取更詳細的信息，從而優(yōu)化編碼器在不同應用中的性能。

　　圖 3：正交真值表。 (圖片來源：CUI 設備)

　　將面板安裝編碼器連接到微控制器需要創(chuàng)建一個電路，其中微控制器提供電流，提供通向 V+ 的路徑，而編碼器提供通向接地的路徑。這種協(xié)作形成了一個完整的電路，實現(xiàn)了編碼器和微控制器之間的無縫通信。術語“集電極開路”也可與“接收器”互換使用，表示輸出晶體管的集電極位于設備外部。這一切都是為了建立有效的數(shù)據(jù)交換電氣路徑。

　　區(qū)分微控制器使用不同的計數(shù)方法也很重要：

　　一個通道上的脈沖：這種簡單的方法為每個脈沖分配 1 個計數(shù)，從而簡化了基本計數(shù)就足夠的應用的計數(shù)過程。

　　兩個通道上的脈沖：利用兩個通道有效地將計數(shù)加倍，從而提供編碼器運動的更詳細和準確的表示。

　　正交狀態(tài)變化：選擇正交狀態(tài)變化可利用每個周期的四次計數(shù)，從而在跟蹤旋轉(zhuǎn)位移時提供更高的分辨率和精度。

　　機械與光學

　　一般來說，面板安裝編碼器使用兩種主要技術進行操作：機械技術和光學技術。

　　機械編碼器作為一系列開關運行，依賴于碼盤，其觸點沿其外邊緣均勻分布。同時，將固定觸點固定到編碼器底盤上(圖 4)。當碼盤旋轉(zhuǎn)時，它會依次建立和中斷與碼盤觸點的接觸，一次一個。電路中的這種循環(huán)嚙合和脫離會產(chǎn)生電壓脈沖，這是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電信號的基本機制。

　　圖 4：機械編碼器的內(nèi)部工作原理。 (圖片來源：CUI 設備)

　　必須強調(diào)的是，機械編碼器本質(zhì)上充當機械開關陣列，需要防抖電路和編程來確?？捎玫妮敵?。雖然在理想情況下，開關會表現(xiàn)出清晰的開關狀態(tài)，但現(xiàn)實世界會帶來復雜性。開關可能會在這些狀態(tài)之間懸停或跳動，從而導致信號失真。這種彈跳現(xiàn)象稱為開關彈跳，可能會被錯誤地解釋為額外脈沖，從而給系統(tǒng)帶來不準確性。

　　為了減輕開關彈跳，防彈跳電路發(fā)揮了作用(圖 5)。該電路旨在“平方”輸出，確保信號準確地表示預期的開/關狀態(tài)，而不受彈跳或懸停效果的干擾。對信號完整性的關注對于機械編碼器的可靠和精確性能至關重要。

　　圖 5：去抖電路有助于“調(diào)整”機械編碼器的輸出。 (圖片來源：CUI 設備)

　　另一方面，光學編碼器由三個基本組件組成：光源、光檢測器和碼盤。以下是他們的運作細目：

　　光源：該組件發(fā)光。

　　光檢測器：位于光源對面，檢測器感測發(fā)射的光。

　　碼盤：碼盤位于光源和探測器之間，具有均勻分布的狹縫。這些狹縫交替地允許光線通過或阻擋光線。

　　操作周期涉及光源通過碼盤上的狹縫照射。檢測器根據(jù)狹縫是否允許或阻擋光來記錄光強度的變化。內(nèi)部電路根據(jù)光的檢測或阻擋來響應啟用或禁用輸出。這種機制允許光學編碼器有效地將位置信息轉(zhuǎn)換為電信號。

　　圖 6：光學編碼器的內(nèi)部工作原理。 (圖片來源：CUI 設備)

　　為了總結這一比較，機械編碼器具有成本效益、多功能性和廣泛的電壓范圍。然而，它們需要去抖電路來獲得可靠的信號，并且生命周期較短。另一方面，光學編碼器通常價格較高，但生命周期較長。它們無需去抖電路即可提供更清晰的輸出信號。此外，在精密應用中，光學編碼器可以提供更高的分辨率。

　　結論

　　面板安裝編碼器將繼續(xù)在各行各業(yè)的各種用戶界面應用中占有一席之地。全面掌握可用的編碼器技術、基本規(guī)格和設計注意事項成為最佳設備選擇的關鍵。 CUI Devices 提供一系列機械和光學面板安裝編碼器，幾乎可以滿足任何設計要求。除了面板安裝編碼器之外，CUI Devices 的電容式AMT 旋轉(zhuǎn)編碼器還具有其他編碼器技術所沒有的精度和耐用性。