作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)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(lǐng)域。這些設(shè)備本質(zhì)上是傳感器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為主機(jī)系統(tǒng)的電信號。編碼器的機(jī)制涉及在旋轉(zhuǎn)過程中生成脈沖，從而使控制設(shè)備能夠識別方向、位置、計(jì)數(shù)或速度等關(guān)鍵信息。

　　面板安裝編碼器對于各個行業(yè)都至關(guān)重要。它們遍布國防和航空航天、醫(yī)療、消費(fèi)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(shè)備、電子實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)置、電機(jī)驅(qū)動器等各種應(yīng)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(guān)鍵規(guī)格和注意事項(xiàng)。

　　面板安裝編碼器基礎(chǔ)知識

　　當(dāng)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(shè)備主要提供人機(jī)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(dāng)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(jìn)行比較，顯示出明顯的優(yōu)勢。面板安裝編碼器擁有更嚴(yán)格的制造公差，從而提高了準(zhǔn)確性和一致性。此外，它們的數(shù)字輸出與當(dāng)代數(shù)字設(shè)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(jì)感到好奇的人，CUI Devices 的文章“電位計(jì)完整指南”對這些相似但不同的組件進(jìn)行了全面的探索。

　　面板安裝編碼器規(guī)格和注意事項(xiàng)

　　在深入研究面板安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的細(xì)節(jié)時，需要進(jìn)一步關(guān)注幾個關(guān)鍵規(guī)格和注意事項(xiàng)。 PPR(即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù))是一個突出的定義指標(biāo)，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(jì)數(shù))的形式提供，計(jì)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(biāo)，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(diǎn)到下一個相同點(diǎn)的波形進(jìn)行測量。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　棘爪是一項(xiàng)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(yùn)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(guān)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(guān)。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(dǎo)通道，從而提供可靠的旋轉(zhuǎn)方向指示(圖 2)。

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

　　為了追求增強(qiáng)的分辨率，許多應(yīng)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(jì)數(shù)，提高了編碼器跟蹤旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)的信息，從而優(yōu)化編碼器在不同應(yīng)用中的性能。

　　圖 3：正交真值表。 (圖片來源：CUI 設(shè)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(shí)現(xiàn)了編碼器和微控制器之間的無縫通信。術(shù)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(shè)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(jì)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(jì)數(shù)，從而簡化了基本計(jì)數(shù)就足夠的應(yīng)用的計(jì)數(shù)過程。

　　兩個通道上的脈沖：利用兩個通道有效地將計(jì)數(shù)加倍，從而提供編碼器運(yùn)動的更詳細(xì)和準(zhǔn)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(jì)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(jī)械與光學(xué)

　　一般來說，面板安裝編碼器使用兩種主要技術(shù)進(jìn)行操作：機(jī)械技術(shù)和光學(xué)技術(shù)。

　　機(jī)械編碼器作為一系列開關(guān)運(yùn)行，依賴于碼盤，其觸點(diǎn)沿其外邊緣均勻分布。同時，將固定觸點(diǎn)固定到編碼器底盤上(圖 4)。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，它會依次建立和中斷與碼盤觸點(diǎn)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(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號的基本機(jī)制。

　　圖 4：機(jī)械編碼器的內(nèi)部工作原理。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　必須強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)械編碼器本質(zhì)上充當(dāng)機(jī)械開關(guān)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(guān)會表現(xiàn)出清晰的開關(guān)狀態(tài)，但現(xiàn)實(shí)世界會帶來復(fù)雜性。開關(guān)可能會在這些狀態(tài)之間懸停或跳動，從而導(dǎo)致信號失真。這種彈跳現(xiàn)象稱為開關(guān)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(zhǔn)確性。

　　為了減輕開關(guān)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(zhǔn)確地表示預(yù)期的開/關(guān)狀態(tài)，而不受彈跳或懸停效果的干擾。對信號完整性的關(guān)注對于機(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“調(diào)整”機(jī)械編碼器的輸出。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　另一方面，光學(xué)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(yùn)作細(xì)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(qiáng)度的變化。內(nèi)部電路根據(jù)光的檢測或阻擋來響應(yīng)啟用或禁用輸出。這種機(jī)制允許光學(xué)編碼器有效地將位置信息轉(zhuǎn)換為電信號。

　　圖 6：光學(xué)編碼器的內(nèi)部工作原理。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　為了總結(jié)這一比較，機(jī)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(xué)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(yīng)用中，光學(xué)編碼器可以提供更高的分辨率。

　　結(jié)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(yīng)用中占有一席之地。全面掌握可用的編碼器技術(shù)、基本規(guī)格和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)成為最佳設(shè)備選擇的關(guān)鍵。 CUI Devices 提供一系列機(jī)械和光學(xué)面板安裝編碼器，幾乎可以滿足任何設(shè)計(jì)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(shù)所沒有的精度和耐用性。