编码器工作原理种类APC SPC(3)

编码器工作原理

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

11

编码器工作原理

）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

12

编码器工作原理

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

13

编码器工作原理

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）。

14

编码器工作原理

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

15