作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

　　本文将深入探讨面板安装旋转编码器的电气工程领域。这些设备本质上是传感器，将旋转位移转换为主机系统的电信号。编码器的机制涉及在旋转过程中生成脉冲，从而使控制设备能够识别方向、位置、计数或速度等关键信息。

　　面板安装编码器对于各个行业都至关重要。它们遍布国防和航空航天、医疗、消费品、测试/测量等行业。面板安装编码器的多功能性使其能够在驾驶舱控制、工作室混音器和音频设备、电子实验室和仪器设置、电机驱动器等各种应用中发挥作用。由于其多功能性，面板安装编码器是首选用于制作精确的控制界面。本文将探讨面板安装旋转编码器的基本工作原理，阐明关键规格和注意事项。

　　面板安装编码器基础知识

　　当谈到旋转编码器时，面板安装编码器因其物理固定在面板上而得名。这些设备主要提供人机界面功能，例如立体声音响上的音量旋钮。它们的作用是使用户能够操纵各种系统参数，充当用户和系统处理器之间的管道。

　　将面板安装旋转编码器与电位器(另一种具有类似旋转信号转换功能的面板安装组件)进行比较，显示出明显的优势。面板安装编码器拥有更严格的制造公差，从而提高了准确性和一致性。此外，它们的数字输出与当代数字设备无缝匹配，无需模数转换器，从而降低成本和潜在错误。然而，对于那些对电位计感到好奇的人，CUI Devices 的文章“电位计完整指南”对这些相似但不同的组件进行了全面的探索。

　　面板安装编码器规格和注意事项

　　在深入研究面板安装旋转编码器的细节时，需要进一步关注几个关键规格和注意事项。 PPR(即每转脉冲数)是一个突出的定义指标，它通过指示每 360 度旋转生成的方波脉冲数来量化编码器的分辨率(图 1)。分辨率也可以以 CPR(每转计数)的形式提供，计算方式为 PPR 乘以 4，表示每转正交状态变化的数量。为了全面了解这些指标，CUI Devices 的文章“增量编码器的 PPR、CPR 和 LPR 有什么区别?”是一种宝贵的资源。

　　图 1：脉冲以从一个相同点到下一个相同点的波形进行测量。 (图片来源：CUI 设备)

　　棘爪是一项不可或缺的功能，在轴旋转期间通过听到“咔嗒”声就位，从而为用户提供反馈。棘爪以每 360 度旋转的咔嗒声来指定，用于防止意外旋转并在轴运动的特定角度提供触觉指示。

　　除了编码器的功能之外，按钮开关功能还引入了额外的用户输入信号。通过按下编码器轴，可以启动一个简单的 SPST 开关。此功能通常用于选择通过旋转编码器旋钮来操作的功能。

　　旋转编码器利用两个通道偏移 90 电角度的方波来识别方向。这些通道之间的相对相移能够检测主导通道，从而提供可靠的旋转方向指示(图 2)。

　　图 2：检测前导信号可以监控顺时针或逆时针旋转。 (图片来源：CUI 设备)

　　为了追求增强的分辨率，许多应用选择正交状态变化，其中一个周期包含从低到高的转变，然后在两个通道上返回到低。这种方法有效地增加了每转的计数，提高了编码器跟踪旋转运动的分辨率和精度。这是一个聪明的策略，可以从每次旋转中提取更详细的信息，从而优化编码器在不同应用中的性能。

　　图 3：正交真值表。 (图片来源：CUI 设备)

　　将面板安装编码器连接到微控制器需要创建一个电路，其中微控制器提供电流，提供通向 V+ 的路径，而编码器提供通向接地的路径。这种协作形成了一个完整的电路，实现了编码器和微控制器之间的无缝通信。术语“集电极开路”也可与“接收器”互换使用，表示输出晶体管的集电极位于设备外部。这一切都是为了建立有效的数据交换电气路径。

　　区分微控制器使用不同的计数方法也很重要：

　　一个通道上的脉冲：这种简单的方法为每个脉冲分配 1 个计数，从而简化了基本计数就足够的应用的计数过程。

　　两个通道上的脉冲：利用两个通道有效地将计数加倍，从而提供编码器运动的更详细和准确的表示。

　　正交状态变化：选择正交状态变化可利用每个周期的四次计数，从而在跟踪旋转位移时提供更高的分辨率和精度。

　　机械与光学

　　一般来说，面板安装编码器使用两种主要技术进行操作：机械技术和光学技术。

　　机械编码器作为一系列开关运行，依赖于码盘，其触点沿其外边缘均匀分布。同时，将固定触点固定到编码器底盘上(图 4)。当码盘旋转时，它会依次建立和中断与码盘触点的接触，一次一个。电路中的这种循环啮合和脱离会产生电压脉冲，这是将旋转运动转换为电信号的基本机制。

　　图 4：机械编码器的内部工作原理。 (图片来源：CUI 设备)

　　必须强调的是，机械编码器本质上充当机械开关阵列，需要防抖电路和编程来确保可用的输出。虽然在理想情况下，开关会表现出清晰的开关状态，但现实世界会带来复杂性。开关可能会在这些状态之间悬停或跳动，从而导致信号失真。这种弹跳现象称为开关弹跳，可能会被错误地解释为额外脉冲，从而给系统带来不准确性。

　　为了减轻开关弹跳，防弹跳电路发挥了作用(图 5)。该电路旨在“平方”输出，确保信号准确地表示预期的开/关状态，而不受弹跳或悬停效果的干扰。对信号完整性的关注对于机械编码器的可靠和精确性能至关重要。

　　图 5：去抖电路有助于“调整”机械编码器的输出。 (图片来源：CUI 设备)

　　另一方面，光学编码器由三个基本组件组成：光源、光检测器和码盘。以下是他们的运作细目：

　　光源：该组件发光。

　　光检测器：位于光源对面，检测器感测发射的光。

　　码盘：码盘位于光源和探测器之间，具有均匀分布的狭缝。这些狭缝交替地允许光线通过或阻挡光线。

　　操作周期涉及光源通过码盘上的狭缝照射。检测器根据狭缝是否允许或阻挡光来记录光强度的变化。内部电路根据光的检测或阻挡来响应启用或禁用输出。这种机制允许光学编码器有效地将位置信息转换为电信号。

　　图 6：光学编码器的内部工作原理。 (图片来源：CUI 设备)

　　为了总结这一比较，机械编码器具有成本效益、多功能性和广泛的电压范围。然而，它们需要去抖电路来获得可靠的信号，并且生命周期较短。另一方面，光学编码器通常价格较高，但生命周期较长。它们无需去抖电路即可提供更清晰的输出信号。此外，在精密应用中，光学编码器可以提供更高的分辨率。

　　结论

　　面板安装编码器将继续在各行各业的各种用户界面应用中占有一席之地。全面掌握可用的编码器技术、基本规格和设计注意事项成为最佳设备选择的关键。 CUI Devices 提供一系列机械和光学面板安装编码器，几乎可以满足任何设计要求。除了面板安装编码器之外，CUI Devices 的电容式AMT 旋转编码器还具有其他编码器技术所没有的精度和耐用性。