光电式编码器

4．6．4　光电式编码器

光电式编码器是目前使用较多的编码式数字传感器。

1）结构与工作原理

光电式编码器由码盘与光电读出装置两部分组成。码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光与不透光的码形。可以输出4位二进制数码的码盘如图4．33（a）所示，光电读出装置如图4．33（b）所示。由最外向内部依次为2⁰位、2¹位、2²位、2³位，码盘一侧放置光源，另一侧一个码道对应放置一个光电器件，图中为光电三极管。4个光电三极管的读出装置正处在码盘第8号角度位置，只有最里面码道的光电三极管对着不透光区（阴影区），故不受光照，三极管截止，输出电平为B₄＝［1］。其他3个码道光电三极管均对着透光区（非阴影区），故受光照而导通，输出电平均为［0］。因此，码盘的第8号角度位置对应的输出数码［B₄　B₃　B₂　B₁］为［1000］。码盘转动某一角度，光电读出装置就输出1个数码；码盘转动1周光电读出装置就输出16种不同的4位二进制数码。

图4．33　光电式编码器的结构和工作原理

2）提高分辨率的措施

二进制码盘所能分辨的旋转角度即码盘的分辨率α为：

式中：n为数码的位数。

因此，若为4位码，则n＝4。对于4位码：n＝4，α₄＝360°／2⁴＝22．5°；对于5位码：n＝5，α₅＝360°／2⁵＝11．25°。

由此可见，位数越多，码道数越多，能分辨的角度越小。为了提高角位移的分辨率，常规方法是增加码盘的码道数，当然这要受到制作工艺的限制。一般可通过采用多级码盘，如两级码盘达到提高分辨率的目的。设低位码盘有5条码道，其输出为5位数码［B₅B₄B₃B₂B₁］，高位码盘有6条码道，输出6位数码［B₁₁B₁₀B₉B₈B₇B₆］，两个码盘的关系同钟表的分针与秒针的关系相似。同一个表盘，秒针移动60格（1圈）分针才移1格，分针移动1格代表1分，秒针移动1格代表1秒，分辨率提高60倍。同理，若低位码盘转了1圈后（输出2⁵＝32个数码），高位码盘才移动1个码位，或者说低位码盘转2⁵＝32圈后，高位码盘才旋转1圈，那么分辨率将提高32倍，即可分辨的角位移是高位码盘分辨率α₆＝360°／2⁶＝5．625°的1／32，即0．176°。这就是说，由5条码道的低位码盘与6条码道的高位码盘相配合，可输出11位数码，角分辨率可达α₁₁＝360°／2¹¹＝0．176°。

3）减小错码率的措施

采用二进制8421码制的码盘，对码盘的制作和安装要求很严格，否则会产生严重的错码。如图4．33（a）所示码盘由第7号角度位置转到第8号角度位置时，应输出二进制码［1000］，若因某种原因内码道光电三极道首先进入非导电区，则会输出二进制码［1111］；如果滞后进入非导电区则将输出［0000］，故本应由7变8，却出现15或0。为了提高精度，限制错码率为一个位码，常用以下两种方法。

（1）循环码盘

循环码的特点是相邻两个数的代码只有一位码是不同的，如图4．34（a）所示。只要适当限制各码道制作误差，就可消除多位错码现象，因此，循环码码盘获得了广泛应用。

表4．3为4位二进制码与循环码对照表。

表4．3　4位二进制码与循环码对照表

按表4．3可找到循环码与二进制码之间的转换关系为：

光电读出装置输出的循环码必须先经循环码—二进制码转换电路再变回二进制码。转换电路如图4．38（b）所示。

图4．34　循环码

若4位循环码［R₄R₃R₂R₁］为［1100］，则对应的二进制码为［B₄B₃B₂B₁］的各位中，最高位不变，即B₄＝R₄＝1，而其他各位为：

B₃＝R₃R₄＝0

B₂＝R₂R₃＝0

B₁＝R₁R₂＝0

故相应的二进制码为［1000］。

（2）扫描法

是在二进制码盘的最低位码道也就是在最外侧的码道上安装一个光电读出头，其他码道上均装两个光电读出头，其中一个称为超前读出头，处于比它低一位读出头提前改变状态的位置；另一个称为滞后读出头，处于比它低一位读出头滞后改变状态的位置。于是，装有两个读出头的码道就有两个数字信号输出，要根据前一位是［1］还是［0］来决定本位数码电平是取超前读出头还是滞后读出头的电平值。按照二进制码的特点，当某一个二进制码的第i位是1时，该二进制码的第i＋1位要从滞后读出头读出；相反，当某一个二进制码第i位是0时，该数码的第i＋1位要从超前读出头读出。这样也能使错码限制为最低位的一个位码。

图4．35（a）为扫描码盘结构示意展开图；图4．35（b）为控制逻辑。图中所示最低位（2⁰）读出头所在位置为x处，输出高电平“1”，则2¹位应从滞后读出头读出，为“1”。同理，2²位也由滞后读出头读出，为“0”，于是2³位应由超前读出头读出，为“1”。故输出二进制码［2³2²2¹2⁰］为［1011］。从图4．35（a）可见，由前一位电平所选中的各高位（2¹，2²，2³）读出头，不论是滞后读出头还是超前读出头，均在错位率最低的位置。也就是说，即使这些读出头发生错位，输出数码也不会变化，从而保持错码率与分辨率一致。

图4．35　扫描码盘