編碼器(ENCODER)的編碼分類、原理及應用
一、分類：1.編碼器依機械結構可分為旋轉編碼器和線性編碼器
2.依編碼方式可分為絕對型編碼器和增量型編碼器
3.依信號產生方式之不同可分為機械接觸式編碼器、電磁編碼器、光學編碼器等
二、應用：基本上，絕對型編碼器的每一個位置代表一個特定的值，各位從下圖A、B可以看出，當折動子停留在哪里，便對應出一個特定的編碼， 這有些類似VR的概念，我們可以說絕對式編碼器是一種數位信號產生器，VR則是一種仿真信號產生器，絕對式編碼器多應用於各種數 控機、機械手臂以及精密機械中，由於每一位置對應一特定的值，因此當電源斷開之後再供電時，主機仍然可讀取這個值，例如數控機床就不會因斷電再複電而失去原來的位置。
相對於絕對型編碼器的位置記憶能力，增量型編碼器則有很大的不同，它只能逐一讀取輸入訊號然後遞加或遞減，得到一定的累 加值供主機參考。基本上增量型編碼器是一種連續開關的概念，開關產生的是0和1(也就是ON和OFF)的值，而增量型編碼器則可連續產生許多個0和1，由於這是一種累加器或計數器的型態，每一位置並不對應特定的值，因此在失去電源再供電時便無法記憶斷電前的位置，所以說它不具備記憶功能。
三、認識增量型編碼器
編碼器的應用可分為消費性產品和工業用兩個方面，工業用編碼器主要應用於精密機械的定位或速度控制，通常與步進馬達或伺服馬達一起使
用。在消費性產品方面的應用歷史遠不如工業用編碼器，目前大多僅用於音量控制及功能表選擇，未來仍有許多的應用方案有待開發。
增量型編碼器所產生的信號近似于方波，這種波形可作為數位信號直接給CPU用，當然一定得有一些配套的電路，此處不贅述。
在討論到編碼器的特性時,經常會遇到以下這些名詞,這里我們做一些简单的说明:
Radial end play 徑向間隙
徑向間隙是指編碼器軸心在編碼器安裝面上的搖動間隙，徑向間隙對電氣參數影響相當大；因此從軸心、軸套製造以及另件的沖制、導體板
和折動子的埋入注塑，一直到編碼器的組裝，都必須嚴格的控制軸向間隙。過大的徑向間隙或軸心傾斜，會直接影響到編碼器所有的電氣特性。
Axial play 軸向間隙
軸向間隙是指軸心垂直安裝于導體板時所產生的間隙。軸向間隙對電氣參數影響相當大，從軸心、軸套製造以及導體板和折動子的埋入注
塑，特別是編碼器的組裝，都必須嚴格的控制軸向間隙。過大的軸向間隙會直接影響到編碼器的電氣特性。
hannel 通道
編碼器的每一個輸出機構為一通道，增量型編碼器通常是二輸出通道，像上圖C所示就是二個通道的導體板。
Cycle error 週期誤差
實際週期和理論週期之間的差異，以一個20段的增量編碼器為例，每一理論週期為50毫秒(ms)，實際測量時則會有出入，週期誤差可以用百
分比或以時間單位來表示。
Cycle width 週期寬度
同一通道兩個相鄰輸出脈衝的上升緣到下一個上升緣所經過的時間，一般也稱為脈寬(Pulse Width).
Electrical degree 電氣角度
一個輸出信號的週期為360°電氣角度，360°電氣角度=(360°/段位)機械角度，一個信號週期為360°/20=18°機械角度，換句話說，編碼器每旋轉
18°便輸出一個電氣信號週期，從折動子接通導體(產生一信號波形的上升緣)開始，然後斷開(產生一信號波形的下降緣)，再到下一個段位的導體又接
通(產生一信號波形的上升緣)為止，形成一個360°電氣角度的完整週期，在這段時間裡，編碼器旋轉了18°機械角度。
Frequency 頻率
頻率=每分鐘轉數*段位/60，一個20段位元的旋轉編碼器，如果每分鐘旋轉120圈，其頻率為120*20/60=40，因此其頻率為40。
旋轉接觸式編碼器的轉速通常為每分鐘60轉，也就是說一秒鐘一轉，一個通道可產生20個週期的電氣信號。
旋轉方向
旋轉方向必須面對編碼器的軸心來定義，CW表順時針方向，CCW表示逆時針方向。
四、增量型編碼器的電氣特性
■ 訊號輸出的對稱性(Signal Output Symmetry)
檢測輸出訊號時，須將示波器調整到螢幕剛好顯示一個完全的訊號週期，如果不能 夠讓一整個週期恰好占滿整個螢幕，你可以先將一個波形的上升緣對正示波器螢幕的最左側，再逐漸放大或縮小信號波形，盡可能將週期調整到能占滿整個螢幕為止。示波器設定為由輸入訊號的正緣觸發。
理想的對稱(180°電氣角度)如下圖所示，編碼器製造商應以角度指出每個半周的容 許對稱誤差。
週期變量(Flutter)
週期變量是指週期的最小/最大變動量，此變動量必須以週期的百分比，或者是角來表示，檢測時須觀察編碼器旋轉一周期間所有的連續上升緣。
■ 正交誤差、相位差(Phases Difference)
正交誤差是因為輸出訊號的邊緣由於機械或電氣因素所導致的相位誤差機械錯誤可能是因軸隙，或編碼板偏心所造成；電氣錯誤可能是因編碼板污染了輸出訊號。
相位差通常是以誤差值與理想頻寬的百分比，或者是時間差(ms)來表示。相位差現象是由A、B通道之間的互動關係產生。量測時必須在當 示波器被 A 通道輸出訊 號的升(下降)緣觸發時，測量 B 通道輸出訊號的上升(下降)緣，來計算誤差值。
相位差的作用主要是提供旋轉方向參考訊號給主機，作為增量或減量計算的依據， 我們也稱相位差為正交誤差，是因為旋轉增量編碼器的 A、B 通道之間呈現的90 度的電氣誤差，一般是 A 通道的輸出訊號領先 B 通道 90 度電氣角。當編碼器以順時針方向轉動時，是 A 通道的輸出訊號領先 B 通道90 度；但當編碼以逆時針方向旋轉時，首先取得的是 B 通道的輸出訊號，然後才是 A 通道的輸出訊號.
■ 每轉脈衝數(PPR、Line Count)
每轉脈衝數也就是編碼器的段數，編碼器的分辯率與其段位(Line)息息相關，段位 越多分辯率就越高，當然，成本也就會越高。每轉脈衝數並不等於編碼器的頻率，頻率是指編碼器每秒所能產生的信號週期數，而每轉脈衝數則是指編碼器旋轉一周所產生的信號週期。接觸式旋轉編碼器的轉速通常為每分鐘60轉或120轉，不同的轉速導致不同的頻率，但每轉脈衝數則與頻率無直接的關聯。
每轉脈衝數(PPR)的測試結果須符合製造廠所公佈的規格。由於接觸式編碼器通常
沒有參考脈衝(Index Pulse)。因此可以編碼器旋轉一周所測得的有效訊號脈衝來計
■ 接觸彈跳、滑動噪音(Contact Bounces、Sliding Noise/Chattering)
接觸彈跳和滑動噪音也就是所謂的t1、t3 和t2.接觸彈跳通常是機構因素、或是滑動
片(折動子)掃過編碼板時產生跳動所導致.t1、t3 就是屬於接觸彈跳，t2為滑動噪音，噪聲的長度一般都是以時間(ms)來表示。
■ 電氣壽命(Eiectrical Life)
每一種編碼器根據製造廠家所列的規格，有一定的壽命.電氣壽命和旋轉壽命不同，旋轉壽命主要是受機械和電氣因素的影響，而電氣壽命則是指編碼器的電輸出訊號的壽命。通常當電氣訊號產生錯誤時，機械結構都還在正常運作狀態，導致不正確的輸出資料，因此電氣壽命測試是絕對必要的。
五、增量型編碼器的應用條件
電路分為數字電路和模擬(仿真)電路。以音量調整為例，VR 使用於模擬(仿真)電路 上，不論是用在簡單的計算器喇叭或複雜的CD-ROM音量調整,基本上VR 這一部份的電路都是模擬(仿真)電路。
編碼器輸出的方波屬於數位訊號的概念，輸出訊號的運用就好象計數器一樣，順時 針轉動時遞加，逆時針轉動時遞減，主機或CPU每偵測到一個高電位訊號(假設是高電平觸發)便將計數值加一或減一(視轉動方向而定)，來決定要將輸出的音量加大或減小。
根據以上的簡單介紹，我們可以了解編碼器無法單獨運用，必須靠主機或CPU，或 者經過編碼器專用IC，例如以NEC的微處理器μPD4702增量型編碼器計數IC來運算，不過這顆IC仍是以一個CPU作為核心。由於必須以CPU或者配合主機一起來使用，所以編碼器在目前仍只使用於較高階的產品。
機械接觸式編碼器一定會有接觸彈跳、滑動噪音等不可使用訊號，這些訊號或未經 適當處理，直接由CPU採樣使用會產生錯誤，因此應用在產品時必須使用濾波電路來消除這些不可用的信號。 下圖是一典型的R/C濾波電路
另外，品管人員必須利用測試電路來檢測輸出訊號，以下是常見的測試電路，下圖左為電路圖，其中的電阻可以採用5KΩ或10KΩ，下圖右為採樣出來的信號，t1、t3 為接觸彈跳，t2為滑動噪音。此圖只顯示了一個通道.
當編碼器與CPU配合使用時，幾乎所有的輸出訊號都是採用計數器來做運算，這種方式會產生某種程度的瞬時電流，影響運算的正確性，因此也必須使用一濾波電路來過濾，此一電路如下圖所示.
六、增量型編碼器的故障、可能原因與解決對策
假設有一個 20 段帶 20 click、三個端子的二通道增量編碼器，操作速度為RPM=60. 而向軸心最左的端子為 A 通道，中間為+5VDC輸入之C腳，最右的端子為 B通道，A 通道領先 B 通道90°電氣角。順時針方向(CW)每拔一段計數器的值便加 1，反時針方向(CCW)每拔一段計數器的值便減 1。
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故障現象
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可能原因
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解決對策
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正、反轉空(多)計數
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1).t1、t2 或t3 不合格
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2).軸心的軸向、徑向問題
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3).未使用濾波電路
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正、反轉不計數
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1).軸心的軸向、徑向問題
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2).導體板污染、磨損
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3).折動子磨損、變形
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計數不穩定,時增時減
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1).軸心的軸向、徑向問題
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2).導體板污染、磨損
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3). 折動子磨損、變形
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脈寬不穩定
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1).導體板不良
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2).軸心的軸向、徑向問題
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3).導體板污染、磨損
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4).折動子磨損、變形
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5).旋鈕太長,徑向力臂過長
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電氣參數普遍不合格
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1).轉速不正確
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產品之壽命測試不合格
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1).軸向壓力過大
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2).折動子磨損、變形
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3).導體板不良
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相位差不穩定
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1).導體板不良
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2).軸心的軸向、徑向問題
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3).導體板污染、磨損
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4).折動子磨損、變形
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5).旋鈕太長,徑向力臂過長
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件制造、成品組裝一條龍作業
模穀式電位器 (2)
