編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來實(shí)現(xiàn)位移與數(shù)字變換，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量。

編碼器以其結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于定位、測速和定長等場合。

編碼器按工作原理的不同，可以分為增量式編碼器和絕對式編碼器。

1. 增量式編碼器

增量式編碼器提供了一種對連續(xù)位移量離散化、增量化以及位移變化（速度）的傳感方法。增量式編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個增量位移就對應(yīng)于一個輸出脈沖信號。增量式編碼器測量的是相對于某個基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置增量，而不能夠直接檢測出絕對位置信息。

增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。在碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期。檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線，它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4 節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90°。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90°的近似于正弦波的電信號，正弦波經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，會得到矩形波，進(jìn)而就可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。? ??

增量式編碼器組成部件及原理

一般來說，增量式光電編碼器輸出 A、B ?兩相相位差為 90°的脈沖信號（即所謂的兩相正交輸出信號），根據(jù) A、B 兩相的先后位置關(guān)系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。另外，碼盤一般還提供用作參考零位的 Z 相標(biāo)志脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，會發(fā)出一個零位標(biāo)志信號。

增量式編碼器輸出信號

2. 絕對式編碼器

絕對式編碼器的原理及組成部件與增量式編碼器基本相同，與增量式編碼器不同的是，絕對式編碼器用不同的數(shù)字碼來表示每個不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。

絕對式編碼器的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 n 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 n條碼道。

絕對式編碼器原理圖

根據(jù)編碼方式的不同，絕對式編碼器的碼盤分為兩種形式，分別為二進(jìn)制碼盤和格雷碼盤。

絕對式編碼器碼盤

絕對式編碼器的特點(diǎn)是不需要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼，即直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值。另外，相對于增量式編碼器，絕對式編碼器不存在累積誤差，并且當(dāng)電源切除后位置信息也不會丟失。

3.? 編碼器輸出信號類型

編碼器的信號輸出有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動輸出和推挽式等多種信號輸出形式。

（1）集電極開路輸出式

集電極開路輸出式以輸出電路的晶體管發(fā)射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據(jù)使用的晶體管類型不同，可以分為NPN集電極開路輸出式和PNP集電極開路輸出式兩種形式。

NPN?集電極開路輸出式

PNP集電極開路輸出式

（2）電壓輸出式

電壓輸出式是在集電極開路輸出電路的基礎(chǔ)上，在電源和集電極之間接了一個上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。一般在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓一致的情況下使用這種類型的輸出電路。

電壓輸出型

（3）推挽式

推挽式輸出方式由兩個分別為 PNP 型和 NPN 型的三極管組成。當(dāng)其中一個三極管導(dǎo)通時，另外一個三極管則關(guān)斷，兩個輸出晶體管交互進(jìn)行動作。

推挽式輸出

這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長距離傳輸。

推挽式輸出電路可以直接與 NPN 和 PNP 集電極開路輸入的電路連接，即可以接入源型或漏型輸入的模塊中。

（4）?線驅(qū)動輸出式

線驅(qū)動輸出接口采用了專用的 IC芯片，輸出信號符合RS-422 標(biāo)準(zhǔn)，以差分的形式輸出，因此線驅(qū)動輸出信號抗干擾能力更強(qiáng)，可以應(yīng)用于高速、長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希瑫r還具有響應(yīng)速度快和抗噪聲性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

線驅(qū)動輸出式

需要說明的是，除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現(xiàn)在好多廠家生產(chǎn)的編碼器還具有智能通信接口，比如PROFIBUS總線接口。這種類型的編碼器可以直接接入相應(yīng)的總線網(wǎng)絡(luò)，通過通信的方式讀出實(shí)際的計(jì)數(shù)值或測量值，這里不做說明。

4. 編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（1）PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時，按漏型輸入接法。

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（2）NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時，按源型輸入接法。

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

5. 增量式編碼器的選型

在增量式編碼器選型時，可以綜合考慮以下幾個參數(shù)。

（1）電源電壓

電源電壓是指編碼器外接供電電源的電壓，一般為直流 5～24V。

（2）分辨率

分辨率是指編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)，工程中一般稱輸出多少線。編碼器廠家在生產(chǎn)編碼器時，通常也會將同一型號的產(chǎn)品分成不同的分辨率。分辨率一般在 10～10000線之間，當(dāng)然了，也有分辨率更高的產(chǎn)品。

（3）最高響應(yīng)頻率

最高響應(yīng)頻率是指編碼器輸出脈沖的最大頻率。常見的最高響應(yīng)頻率有50kHz和100kHz。

（4）最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速

最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速是指編碼器運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速，它取決于編碼器的分辨率和最高響應(yīng)頻率。最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下：

（5）輸出信號類型

輸出信號有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動輸出和推挽式等多種信號輸出形式，詳見“3.編碼器輸出信號類型”。

（6）輸出信號方式

編碼器的輸出信號方式有三種，分別為單脈沖輸出型、A/B/Z三相脈沖輸出型和差動線性驅(qū)動脈沖輸出型。其中以A/B相脈沖輸出最為常用。

1) 單脈沖輸出型。單脈沖輸出是指輸出1個占空比為50%脈沖波形。單脈沖輸出分辨率較低，常用于轉(zhuǎn)速測量和脈沖計(jì)數(shù)等場合。

單脈沖輸出型

2) A/B/Z三相脈沖輸出型。A/B/Z三相脈沖輸出是增量式編碼器最常用的輸出信號方式。其中可以由A/B相脈沖相位的超前和滯后關(guān)系，來判斷增量式編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。如果從增量式編碼器的軸側(cè)看，編碼器順時針旋轉(zhuǎn)即正轉(zhuǎn)，波形是A相脈沖在相位上超前B相脈沖90°，如下圖a所示；如果從增量式編碼器的軸側(cè)看，編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)即反轉(zhuǎn)，波形是A相脈沖在相位上滯后B相脈沖90°，如下圖b所示；Z相脈沖為零位標(biāo)志脈沖，編碼器每轉(zhuǎn)1圈發(fā)出1個脈沖。

A/B/Z三相脈沖輸出型

3) 差動線性驅(qū)動脈沖輸出型。差動線性驅(qū)動脈沖輸出型為一對互為反相的脈沖信號。這種輸出信號由于取消了信號地線，對以共模出現(xiàn)的干擾信號有很強(qiáng)的抗干擾能力。工業(yè)環(huán)境中，因其能傳輸更遠(yuǎn)的距離有更為廣泛的應(yīng)用。

差動線性驅(qū)動脈沖輸出型

作者：韓相爭

長期從事自動化工程設(shè)計(jì)和技術(shù)研究，取得發(fā)明和實(shí)用新型專利多項(xiàng)，近年來著工控類書籍多部，如《徹底學(xué)會S7-200 SMART PLC》《西門子PLC、觸摸屏、變頻器、組態(tài)軟件一本通》《西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例》《三菱FX系列PLC編程速成全圖解》等，兩部圖書獲中國石油化工聯(lián)合會優(yōu)秀出版物一、二等獎，其作品以圖文并茂和實(shí)用性廣受讀者好評，長居PLC排行榜前列。

編輯：黃飛

?