編碼器及其應用概述
編碼器(encoder)是將訊號(如位元流)或資料進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和儲存的訊號形式的裝置。編碼器把角位移或直線位移轉換成電訊號，前者成為碼盤，後者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式採用電刷輸出，一電刷接觸導電區或絕緣區來表示**的狀態是"1"還是"0";非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，採用光敏元件時以透光區和不透光區來表示**的狀態是"1"還是"0",通過"1"和"0"的二進位制編碼來將採集來的物理訊號轉換為機器碼可讀取的電訊號用以通訊、傳輸和儲存。
旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈衝以數字量輸出(rep)。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術引數主要有每轉脈衝數(幾十個到幾千個都有)，和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈衝，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組a/b相位差90度的脈衝，通過這兩組脈衝不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。
光電編碼器的元件
僅有一路脈衝輸出的編碼器不能確定旋轉的角度，所以用處不大。如果使用兩路碼道，其扇區之間的相位差為90度(如圖2所示)，那麼通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉的方向兩個資訊。例如，如果通道a相位超前，碼盤就以順時針旋轉。如果通道b相位超前，那麼碼盤就是以逆時針旋轉。因此，通過監控脈衝的數目和訊號a、b之間的相對相位資訊，就可以同時獲得旋轉的位置和方向資訊。
正交編碼器a和b的輸出訊號
除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零訊號或者參考訊號的第三個輸出通道。這個通道每旋轉一圈輸出乙個單脈衝。你可以使用這個單脈衝來精確計算某個參考位置。在絕大多數編碼器中，這個訊號稱為z軸或者索引。
為止，本文之前介紹了單端增量式正交編碼器。由於a和b訊號都以地作為參考訊號，所以被稱作為單端，並且每個訊號只有一根線(或者說只有一端)。而另外一種常用的編碼器為差分編碼器，它的a和b訊號都有兩根線。a訊號的兩根線分別是a'和a,b訊號的兩根線分別是b'和b.因為這四根線總是輸出某個已知電平(0v或者vcc)，所以這種結構也被稱為推挽結構。當a是vcc時a'就是0v,反之，當a是0v時a'就是vcc.而在單端編碼器的情況下，a或者是vcc或者懸空。採用差分檢測可以保證訊號的準確性，所以差分編碼器通常可以用在電雜訊較大的環境中。
採用增量式編碼器僅能測量出位置的變化資訊(從中可以計算出運動速度和加速度)，但卻無法確定目標的絕對位置。在這裡，我們將介紹第三種編碼器：絕對式編碼器，該類編碼器能夠獲得目標的絕對位置。這種編碼器同增量式編碼器一樣，具有交替變化的不透光扇區和透光扇區。但是絕對式編碼器在編碼器的碼盤上，採用了多組分區形成同心碼道，如同靶環一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發，向外擴充套件直到碼盤外部，每一層碼道都比其內層多了一倍的分割槽。第一層，即最內層的碼道，只有乙個透光扇區和乙個不透光扇區；位於中心的第二層就具有兩個透光扇區和兩個不透光扇區；而第三層碼道的透光扇區和不透光扇區就各有四個。如果編碼器有10層碼道，那麼最外圍的碼道就有512個扇區；如果有16層碼道，那麼最外圍的碼道就有32,767個扇區。
因為絕對式編碼器的每層碼道都比它裡面一層的碼道多了一倍數目的扇區，所以扇區的數目就形成了二進位制計數系統。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應乙個光源和乙個接收器。這意味著10層碼道的編碼器就需要10組光源和接收器，而16層碼道的編碼器就需要16組光源和接收器。
絕對式編碼器的優勢在於您可以降低編碼器的轉速，可以使編碼器的碼盤在整個機器運動週期中只轉一圈。如果機器運動距離為10英吋，而編碼器具有16位精度，那麼機器位置的精度就是10/65,536,即0.00015英吋。如果機器的行程更長譬如6英呎，那麼粗旋轉編碼器可以保證跟蹤每一英呎距離；第二級稱為細旋轉編碼器可以跟蹤1英呎以內的距離。這就意味著，你可以調整粗編碼器，使其在整個6英呎距離內旋轉一圈；也可以調整細編碼器，使其能夠分辨的範圍為1英呎(即12英吋)。
怎樣使用編碼器進行測量
要使用編碼器進行測量，必需有乙個基本的電子裝置即計數器。基本的計數器是通過其幾個輸入通道，產生乙個數值，來表示檢測到的邊沿(即波形中從低到高或高到低的變化)數目。大多數計數器都有三個相互關聯的輸入--門限、源和公升/降選擇。計數器記錄源輸入中的事件數目，並且根據公升/降選擇線的狀態進行加計數或者減計數。例如：如果公升/降狀態位"高",那麼計數器加計數；如果公升/降狀態位"低",那麼計數器就減計數。圖3顯示了乙個簡化的計數器框圖。
計數器的簡化模型
編碼器通常有5根線需要連線。不同的編碼器，這些線的顏色是不一樣的。你可以使用這些線來給編碼器提供電源，並且讀入a、b和z訊號。圖4顯示了乙個增量式編碼器的典型介面定義。
增量式編碼器介面
接下來一步就要決定這些線應該接到什麼位置。如上文所述，將訊號a接到源接線端上，對其訊號中的脈衝進行計數。訊號b連線到公升/降選擇埠上。將任意+5v的直流電源接到電源和地接線埠上--大多情況下，乙個資料採集裝置只需一根數字線就足夠了。
既然對訊號邊沿計數了，接下來你需要考慮的就是這些數值應如何轉換成位置資訊。這個由邊沿數值轉換為位置資訊的過程，取決於所採用的編碼型別。總共有三種基本的編碼型別：x1、x2和x4.
x1編碼
顯示了乙個正交週期和其相應的x1編碼型別下的計數值的加減數目。當通道a引導通道b時，增量發生在通道a的上公升沿。當通道b引導通道a時，減量發生在通道a的下降沿。
x1編碼
x2編碼
x2編碼與上述過程類似，只是計數器a通道的每個邊沿計數是增加還是減少，取決於由哪個通道引導哪個通道。計數器的數值每個週期都會增加2個或減少2個，如圖6所示。
.x2編碼
x4編碼
x4編碼模式下，計數器同樣也在通道a和b的每個沿上發生增加或者減少。計數器的數目是增加還是減少，取決於哪個通道引導哪個通道。計數器的數目每個週期都會增加4個或減少4個，如圖7所示。
x4編碼
一旦你設定了編碼型別以及脈衝計數型別，就可以使用下列公式把數值資訊轉換為位置資訊了：
對於轉動位置
旋轉量其中n=軸每旋轉一周過程中，編碼器所生成的脈衝數目
x=編碼型別
對於線性位置
位移量其中ppi=脈衝每英吋(這個引數與所選的編碼器有關)
將編碼器連線到儀器上
在這部分中，以nicdaq-9172機箱和ni9401c系列的數字i/o模組為例。使用不同的測量儀器和裝置，都與該過程類似。
nicompactdaq系統
使用的裝置：
cdaq-9172:nicompactdaq8插槽高速usb機箱
ni9401:8-通道、5v/ttl高速雙向數字i/o模組
24脈衝/轉的旋轉正交編碼器
ni9401有乙個d-sub聯結器，可以為8個數字通道提供連線。每個通道都有乙個數字i/o埠，可以連線到乙個數字輸入或輸出裝置。只有通過機箱上的第5和第6個插槽，才可以連線到cdaq-9172中的兩個計數器上；所以，將9401插入到第5插槽上。圖8顯示了這種結構的埠，圖9顯示了預設的計數器接線端。
預設的計數器接線端
根據這些規範，編碼器上的連線a連線到14腳上，連線b連線到17腳上，"5vdcpower"連線到任何乙個設定為"高"的尚未使用的的數字線上，"ground"連線到任何com埠上。
開始測量
前面已經將編碼器連線到測量裝置上了，接下來就可以使用nilabview圖形化程式設計軟體，將這些資料傳到計算機中進行觀察和分析了。
顯示了乙個例子，在labview程式設計環境中顯示邊沿數目和相應的位置增量。
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