作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

　　本文將深入探討面板安裝旋轉編碼器的電氣工程領域。這些設備本質上是傳感器，將旋轉位移轉換為主機系統的電信號。編碼器的機制涉及在旋轉過程中生成脈沖，從而使控制設備能夠識別方向、位置、計數或速度等關鍵信息。

　　面板安裝編碼器對于各個行業都至關重要。它們遍布國防和航空航天、醫療、消費品、測試/測量等行業。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備、電子實驗室和儀器設置、電機驅動器等各種應用中發揮作用。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編碼器的基本工作原理，闡明關鍵規格和注意事項。

　　面板安裝編碼器基礎知識

　　當談到旋轉編碼器時，面板安裝編碼器因其物理固定在面板上而得名。這些設備主要提供人機界面功能，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參數，充當用戶和系統處理器之間的管道。

　　將面板安裝旋轉編碼器與電位器(另一種具有類似旋轉信號轉換功能的面板安裝組件)進行比較，顯示出明顯的優勢。面板安裝編碼器擁有更嚴格的制造公差，從而提高了準確性和一致性。此外，它們的數字輸出與當代數字設備無縫匹配，無需模數轉換器，從而降低成本和潛在錯誤。然而，對于那些對電位計感到好奇的人，CUI Devices 的文章“電位計完整指南”對這些相似但不同的組件進行了全面的探索。

　　面板安裝編碼器規格和注意事項

　　在深入研究面板安裝旋轉編碼器的細節時，需要進一步關注幾個關鍵規格和注意事項。 PPR(即每轉脈沖數)是一個突出的定義指標，它通過指示每 360 度旋轉生成的方波脈沖數來量化編碼器的分辨率(圖 1)。分辨率也可以以 CPR(每轉計數)的形式提供，計算方式為 PPR 乘以 4，表示每轉正交狀態變化的數量。為了全面了解這些指標，CUI Devices 的文章“增量編碼器的 PPR、CPR 和 LPR 有什么區別?”是一種寶貴的資源。

　　圖 1：脈沖以從一個相同點到下一個相同點的波形進行測量。 (圖片來源：CUI 設備)

　　棘爪是一項不可或缺的功能，在軸旋轉期間通過聽到“咔嗒”聲就位，從而為用戶提供反饋。棘爪以每 360 度旋轉的咔嗒聲來指定，用于防止意外旋轉并在軸運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。此功能通常用于選擇通過旋轉編碼器旋鈕來操作的功能。

　　旋轉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通道，從而提供可靠的旋轉方向指示(圖 2)。

　　圖 2：檢測前導信號可以監控順時針或逆時針旋轉。 (圖片來源：CUI 設備)

　　為了追求增強的分辨率，許多應用選擇正交狀態變化，其中一個周期包含從低到高的轉變，然后在兩個通道上返回到低。這種方法有效地增加了每轉的計數，提高了編碼器跟蹤旋轉運動的分辨率和精度。這是一個聰明的策略，可以從每次旋轉中提取更詳細的信息，從而優化編碼器在不同應用中的性能。

　　圖 3：正交真值表。 (圖片來源：CUI 設備)

　　將面板安裝編碼器連接到微控制器需要創建一個電路，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。這種協作形成了一個完整的電路，實現了編碼器和微控制器之間的無縫通信。術語“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備外部。這一切都是為了建立有效的數據交換電氣路徑。

　　區分微控制器使用不同的計數方法也很重要：

　　一個通道上的脈沖：這種簡單的方法為每個脈沖分配 1 個計數，從而簡化了基本計數就足夠的應用的計數過程。

　　兩個通道上的脈沖：利用兩個通道有效地將計數加倍，從而提供編碼器運動的更詳細和準確的表示。

　　正交狀態變化：選擇正交狀態變化可利用每個周期的四次計數，從而在跟蹤旋轉位移時提供更高的分辨率和精度。

　　機械與光學

　　一般來說，面板安裝編碼器使用兩種主要技術進行操作：機械技術和光學技術。

　　機械編碼器作為一系列開關運行，依賴于碼盤，其觸點沿其外邊緣均勻分布。同時，將固定觸點固定到編碼器底盤上(圖 4)。當碼盤旋轉時，它會依次建立和中斷與碼盤觸點的接觸，一次一個。電路中的這種循環嚙合和脫離會產生電壓脈沖，這是將旋轉運動轉換為電信號的基本機制。

　　圖 4：機械編碼器的內部工作原理。 (圖片來源：CUI 設備)

　　必須強調的是，機械編碼器本質上充當機械開關陣列，需要防抖電路和編程來確保可用的輸出。雖然在理想情況下，開關會表現出清晰的開關狀態，但現實世界會帶來復雜性。開關可能會在這些狀態之間懸停或跳動，從而導致信號失真。這種彈跳現象稱為開關彈跳，可能會被錯誤地解釋為額外脈沖，從而給系統帶來不準確性。

　　為了減輕開關彈跳，防彈跳電路發揮了作用(圖 5)。該電路旨在“平方”輸出，確保信號準確地表示預期的開/關狀態，而不受彈跳或懸停效果的干擾。對信號完整性的關注對于機械編碼器的可靠和精確性能至關重要。

　　圖 5：去抖電路有助于“調整”機械編碼器的輸出。 (圖片來源：CUI 設備)

　　另一方面，光學編碼器由三個基本組件組成：光源、光檢測器和碼盤。以下是他們的運作細目：

　　光源：該組件發光。

　　光檢測器：位于光源對面，檢測器感測發射的光。

　　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。檢測器根據狹縫是否允許或阻擋光來記錄光強度的變化。內部電路根據光的檢測或阻擋來響應啟用或禁用輸出。這種機制允許光學編碼器有效地將位置信息轉換為電信號。

　　圖 6：光學編碼器的內部工作原理。 (圖片來源：CUI 設備)

　　為了總結這一比較，機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，在精密應用中，光學編碼器可以提供更高的分辨率。

　　結論

　　面板安裝編碼器將繼續在各行各業的各種用戶界面應用中占有一席之地。全面掌握可用的編碼器技術、基本規格和設計注意事項成為最佳設備選擇的關鍵。 CUI Devices 提供一系列機械和光學面板安裝編碼器，幾乎可以滿足任何設計要求。除了面板安裝編碼器之外，CUI Devices 的電容式AMT 旋轉編碼器還具有其他編碼器技術所沒有的精度和耐用性。