淺析增量編碼器的A/B輸出波形

增量編碼器的核心部件——碼盤，由精細(xì)的光柵刻線構(gòu)成。這些刻線被兩個(gè)（或更多，如四個(gè)光眼的情況，后文將討論）光眼讀取，以產(chǎn)生A、B信號(hào)?？叹€的密集程度直接決定了編碼器的分辨率，即能夠精確捕捉的最小角度變化。分辨率的參數(shù)通常以每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）來(lái)表示。例如，若碼盤每圈有360條刻線，則A、B信號(hào)每圈各輸出360個(gè)脈沖，此時(shí)分辨率即為360PPR。

那么，這樣的編碼器能分辨的最小角度變化是多少度呢？是否就是1度？

增量編碼器的A/B輸出波形主要分為兩類：一類是具有陡峭上升沿和下降沿的方波信號(hào)；另一類則是波形平滑，類似正弦曲線的Sin/Cos波形信號(hào)。在Sin/Cos波形中，A與B相差1/4周期（即90度相位）。若A為類正弦Sin波形，則B為類余弦Cos波形。

對(duì)于方波信號(hào)而言，A、B兩相相差90度相位（即1/4T），這使得在0度、90度、180度和270度這四個(gè)相位角位置，均有上升沿和下降沿的出現(xiàn)。因此，在1/4T的方波周期內(nèi)，即可判斷角度的變化。這個(gè)1/4T周期即為最小測(cè)量步距。通過(guò)電路對(duì)上升沿和下降沿的識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)4倍于PPR的角度變化讀取，即方波的四倍頻。這種判斷也可以通過(guò)邏輯操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中0代表低電平，1代表高電平，A/B兩相在一個(gè)周期內(nèi)的變化依次為00、01、11、10。這種判斷方式不僅能實(shí)現(xiàn)四倍頻，還能確定旋轉(zhuǎn)方向。

圖為增量編碼器碼盤照片

據(jù)此，方波信號(hào)的最小分辨角度為360度除以（4乘以PPR）。以一個(gè)360PPR的方波A/B輸出增量編碼器為例，其最小分辨角度為0.25度。

圖為增量編碼器波形圖

需要強(qiáng)調(diào)的是，方波信號(hào)最高僅能實(shí)現(xiàn)四倍頻。盡管有時(shí)差法可以進(jìn)一步細(xì)分，但這并非增量編碼器的推薦用法。更高的細(xì)分則需采用Sin/Cos類正余弦信號(hào)。后續(xù)電路可通過(guò)讀取波形相位的變化，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行細(xì)分，如5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，然后再以方波形式輸出（以PPR表示）。但細(xì)分倍數(shù)并非無(wú)限，受到模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間響應(yīng)問題和編碼器刻線精度等因素的限制。

例如，德國(guó)海德漢的工業(yè)編碼器推薦的最佳細(xì)分倍數(shù)為20倍，更高的細(xì)分適用于其推薦的精度更高的角度編碼器，但旋轉(zhuǎn)速度需降低。

對(duì)于細(xì)分后的增量編碼器，若輸出A/B/Z方波信號(hào)，仍可再次進(jìn)行四倍頻。但請(qǐng)注意，細(xì)分對(duì)編碼器的旋轉(zhuǎn)速度有要求，通常較低。若原始碼盤刻線精度不高、波形不完美，或細(xì)分電路存在限制，細(xì)分可能會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真、大小步、丟步等問題。因此，在選用和使用時(shí)需注意。

以一個(gè)正余弦A/B輸出360PPR的增量編碼器為例，若采用25倍分頻，且原始碼盤精度有保證，其最小分辨角度可能達(dá)到0.01度。

此外，有些增量編碼器的原始刻線可以達(dá)到2048線（2的11次方，即11位），通過(guò)16倍（4位）細(xì)分后得到15位PPR，再經(jīng)過(guò)4倍頻（2位）處理，最終獲得17位（Bit）的分辨率。這就是某些日系編碼器所謂的17位高位數(shù)編碼器的由來(lái)。它們通常以“位（Bit）”來(lái)表示分辨率。然而，在較快速度下，這些編碼器內(nèi)部仍需使用未細(xì)分的低位信號(hào)進(jìn)行處理，以確保響應(yīng)速度。因此，不要被其“17位”的表述所迷惑。

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