编码器用途和编码器工作原理

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和

不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位

数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根

据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意

位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位

二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式

编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编

码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：

1．可以直接读出角度坐标的绝对值；

2．没有累积误差；

3．电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，

目前有10位、14位等多种。

（三）混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完

全同增量式编码器的输出信息。

光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的

电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台

、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

二、光电编码器的应用电路

（一）EPC－755A光电编码器的应用

EPC－755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠

的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们在研制汽车驾驶模拟器

时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC－755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输

出分辨率选用360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需

要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图2给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电

路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成

当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q（波形W1）为高电

平，Q（波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形W3），送至双向计数器74LS193的加

脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形W4）。当光电编码器逆

时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q（波形W1）为低电平，Q（波形W2

）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形W3）；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（

波形W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。

汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器

，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进

行复位（CLR信号），再将其初值设为800H，即2048（LD信号）；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电

路的输出范围为2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的

数据输出D0～D11送至数据处理电路。

实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向

盘回中时计数电路输出可能不是2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向盘

回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方

向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。

（二）光电编码器在重力测量仪中的应用

采用旋转式光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。重力测量仪中补偿旋钮的角位移

量转化为某种电信号量；旋转式光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。

增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高 。一般只需

要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道

和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码

盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲 信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生

的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的

相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时 ，

A道脉冲比B道滞后π/2。是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态 产生的正脉冲与B道整形波相‘

与’，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出

脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其

相位差为π/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差， 这

种情况出现在当某一道信号处于“高”或“低”电平状态，而另一道信号正处于“高”和 “低”之间的

往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。例如，码盘发生抖动或手动

对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。

是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的D型触发器和时

钟发生电路。每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉 冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175

的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入 状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根

据两者关系判断出它的变化方 向，从而产生‘正向’或‘反向’输出脉冲。当某道由于振动在‘高’、

‘低’间往复变化 时，将交替产生‘正向’和‘反向’脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它

们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大

值。由图4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每圈脉冲数为1000的

编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。实际上 ，目前这类传感器产品都将光敏元

件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一

个角位移测量系统（74159是4-16译码器）。
三、应用中问题分析及改进措施

（一）应用中问题分析

光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在

因素，主要表现在以下几个方面：1．发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致

接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因

光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连

接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时

光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导

致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。

2．因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安

装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪

系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而

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