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　1 編碼器基礎 1.1光電編碼器

　　編碼器是傳感器的一種，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離和計數等，許多馬達控制均需配備編碼器以供馬達控制器作為換相、速度及位置的檢出等，應用范圍相當廣泛。按照不同的分類方法，編碼器可以分為以下幾種類型：

　　? 根據檢測原理，可分為光學式、磁電式、感應式和電容式。

　　? 根據輸出信號形式，可以分為模擬量編碼器、數字量編碼器。

　　? 根據編碼器方式，分為增量式編碼器、式編碼器和混合式編碼器。

　　光電編碼器是集光、機、電技術于一體的數字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來實現位移——數字變換，通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。典型的光電編碼器由碼盤、檢測光柵、光電轉換電路（包括光源、光敏器件、信號轉換電路）、機械部件等組成。光電編碼器具有結構簡單、精度高、壽命長等優點，廣泛應用于精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面。

　　這里我們主要介紹SIMATIC S7系列高速計數產品普遍支持的增量式編碼器和式編碼器。

　　1.2增量式編碼器

　　增量式編碼器提供了一種對連續位移量離散化、增量化以及位移變化（速度）的傳感方法。增量式編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，它能夠產生與位移增量等值的脈沖信號。增量式編碼器測量的是相對于某個基準點的相對位置增量，而不能夠直接檢測出位置信息。

　　如圖1-1 所示，增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。在碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期。檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線，它們的節距和碼盤上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4 節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90°。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90°的近似于正弦波的電信號，電信號經過轉換電路的信號處理，就可以得到被測軸的轉角或速度信息。

　　圖1-1 增量式編碼器原理圖

　　一般來說，增量式光電編碼器輸出 A、B 兩相相位差為 90°的脈沖信號（即所謂的兩相正交輸出信號），根據 A、B 兩相的先后位置關系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉方向。另外，碼盤一般還提供用作參考零位的 N 相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉一周，會發出一個零位標志信號。

　　圖1-2 增量式編碼器輸出信號

　　1.3式編碼器

　　式編碼器的原理及組成部件與增量式編碼器基本相同，與增量式編碼器不同的是，式編碼器用不同的數碼來指示每個不同的增量位置，它是一種直接輸出數字量的傳感器。

　　圖1-3式編碼器原理圖

　　如圖1-3所示，式編碼器的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數。在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件。當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 n 位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 n 條碼道。

　　根據編碼方式的不同，式編碼器的兩種類型碼盤（二進制碼盤和格雷碼碼盤），如圖1-4 所示。

　　圖1-4 式編碼器碼盤

　　式編碼器的特點是不需要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼，即直接讀出角度坐標的值。另外，相對于增量式編碼器，式編碼器不存在累積誤差，并且當電源切除后位置信息也不會丟失。

　　2 編碼器輸出信號類型

　　一般情況下，從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規則，不能直接用于控制、信號處理和遠距離傳輸，所以在編碼器內還需要對信號進行放大、整形等處理。經過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波，因為矩形波輸出信號容易進行數字處理，所以在控制系統中應用比較廣泛。

　　增量式光電編碼器的信號輸出有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅動輸出和推挽式輸出等多種信號形式。

　　2.1集電極開路輸出

　　集電極開路輸出是以輸出電路的晶體管發射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據使用的晶體管類型不同，可以分為NPN集電極開路輸出（也稱作漏型輸出，當邏輯 1 時輸出電壓為 0V，如圖2-1所示）和PNP集電極開路輸出（也稱作源型輸出，當邏輯 1 時，輸出電壓為電源電壓，如圖2-2所示）兩種形式。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓不*的情況下可以使用這種類型的輸出電路。

　　圖2-1 NPN 集電極開路輸出

　　圖2-2 PNP集電極開路輸出

　　對于PNP型的集電極開路輸出的編碼器信號，可以接入到漏型輸入的模塊中，具體的接線原理如圖2-3所示。

　　注意：PNP型的集電極開路輸出的編碼器信號不能直接接入源型輸入的模塊中。

　　圖2-3 PNP型輸出的接線原理

　　對于NPN型的集電極開路輸出的編碼器信號，可以接入到源型輸入的模塊中，具體的接線原理如圖2-4所示。

　　注意：NPN型的集電極開路輸出的編碼器信號不能直接接入漏型輸入的模塊中。

　　圖2-4 NPN型輸出的接線原理

　　2.2 電壓輸出型

　　電壓輸出是在集電極開路輸出電路的基礎上，在電源和集電極之間接了一個上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個穩定的電壓狀態，如圖2-5。一般在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓*的情況下使用這種類型的輸出電路。

　　圖2-5 電壓輸出型

　　2.3 推挽式輸出

　　推挽式輸出方式由兩個分別為 PNP 型和 NPN 型的三極管組成，如圖2-6所示。當其中一個三極管導通時，另外一個三極管則關斷，兩個輸出晶體管交互進行動作。

　　這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長距離傳輸。

　　推挽式輸出電路可以直接與 NPN 和 PNP 集電極開路輸入的電路連接，即可以接入源型或漏型輸入的模塊中。

　　圖2-6 推挽式輸出

　　2.4 線驅動輸出

　　如圖 2-7所示，線驅動輸出接口采用了的 IC 芯片，輸出信號符合RS-422 標準，以差分的形式輸出，因此線驅動輸出信號抗干擾能力更強，可以應用于高速、長距離數據傳輸的場合，同時還具有響應速度快和抗噪聲性能強的特點。

　　圖2-7 線驅動輸出

　　說明：除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現在好多廠家生產的編碼器還具有智能通信接口，比如PROFIBUS總線接口。這種類型的編碼器可以直接接入相應的總線網絡，通過通信的方式讀出實際的計數值或測量值，這里不做說明。