VR、電位器、可變電阻、開關、編碼器~~亮販電

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。

電位器（英文：Potentiometer，通俗上也簡稱 Pot，少數直譯成電位計），中文通常又稱為可變電阻器（VR，Variable Resistor）或簡稱可變電阻，是一種具有三個端子，其中有兩個固定接點與一個滑動接點，可經由滑動而改變滑動端與兩個固定端間電阻值的電子零件，使用時可形成不同的分壓比率，改變滑動點的電位，因而得名。

至於只有兩個端子的可變電阻器（rheostat）（或已將滑動端與其中一個固定端保持連接，對外實際只有兩個有效端子的）並不稱為電位器，只能稱為可變電阻（variable resistor）。

電位器最常見的用途是各式音響聲源設備裡的音量控制或電子設備裡的各式準位與功率等的控制，也可以做為位置或角度的傳感器，或者是作為鎢絲燈泡調光器或電熱絲功率調節器的控制元件等。但某些用途，如前述例子中的後者，通常將電位器接成兩端子可變電阻（rheostat）形式來使用。

常見的碳膜或陶瓷膜電位器可以透過銅箔或銅片與印刷膜接觸旋轉或滑動產生於輸出、輸入端的不同電阻。較大功率的電位器則是使用線繞式。

電位器有時會合併附帶其他功能，例如某些音量控制用的電位器附開關，可兼作音量與電源開關的功能，此時通常是在音量最小的一端附帶關閉電源。

可變電阻器，顧名思義，就是可以調整電阻的大小。電路接在該電阻的中間時，電阻只有原來的一半，接到最邊緣時，則是該電阻的原來大小。看需要來選擇接的地方，就是可變電阻。電位器<可變電阻>為電阻值可以調整改變的電阻。在類比電路中，為符合所謂設計值規格的調整作業非常麻煩。但為考慮精確度，必須對各定數的偏差作局部限制，而在這調整作業中就必須用到可變電阻。小型電位器又稱為半固定電阻器，為隨著年代而漸漸小型化的一種可變電阻。

電位器<可變電阻>在使用面的部份，例如1.5V的馬達要將轉速降低需加裝可變電阻，但可變電阻上有三向接點標示1，2，3，那電池電源正負極要如何接上可變電阻呢？電阻沒有極性因此不用擔心接反,可變電阻上之1,3之間之電阻是工廠製造時之該顆電阻之最大值(不會改變),可變部分在1,2或2,3,因此只要將電源正負任一端串聯馬達之一端再從馬達另一端接到可變電阻2端,再從1端或3端拉到電源另一端就可以了,如果馬達逆轉再將電源正負反接就可以轉正了,也可以調整可變電阻來改變馬達之轉速。

可變電阻在電阻調整大小時,電壓及電流變化說明：

第一 : 再串聯電路裡可變電阻其電阻調整越大時(有串聯其他電阻 , 而且是一個迴路)是可變電阻上的電壓降越大(指電壓會越大的意思)但是電流不變

第二 : 再並聯電路裡可變電阻其電阻調整越大時是可變電阻上的電流越小但是電壓不變

以上可以用歐姆定律來證明

第一 :串聯電路同一條路線上是電流不變如果把上一題代入就是V=IR , I是電流不變但R可變電阻調整越大則V電壓越降大

第二 :並聯電路剛好相反也就是說再分枝電路是電壓不變同樣代入第二題目I=V/R則V是電壓不變但R可變電阻調整越大則電流越小

1.1 電阻材質分類

• 碳膜式（Carbon Film）：使用碳膜作為電阻膜。

• 瓷金膜（Metal Film）：使用以陶瓷（ceramic）與金屬（metal）材質混合製成的特殊瓷金（cermet）膜作為電阻膜。

• 線繞式（Wirewound）：使用金屬線繞製作為電阻。比起碳膜或瓷金膜而言，可承受較大功率。

繞線式電位器的構造

直線滑動式電位器("faders")

1.2 構造分類

• 旋轉式：常見的形式。通常的旋轉角度約 270～300 度。
  • 單圈式：常見的形式。
  • 多圈式：用於須精密調整的場合。
• 直線滑動式：通常用於混音器，便於立即看出音量的位置與做淡入淡出控制。

1.3 數量分類

• 單聯式：一轉軸只控制單一電位器。

• 雙聯式：兩個電位器使用同一轉軸控制，主要用於雙聲道中，可同時控制兩個聲道。

1.4 電阻值變化尺度分類

• 線性尺度式：電阻值的變化與旋轉角度或移動距離呈線性關係，此種電位器稱為 B 型電位器。

• 對數尺度式：電阻值的變化與旋轉角度或移動距離呈對數關係，此種電位器主要用途是音量控制，其中常用的是 A 型電位器，適合順時針方向為大音量、逆時針方向為小音量的場合；此外，另有對數尺度的變化方向相反的 C 型電位器。

 1.5 其他特別型式

• 附開關電位器：通常用於將音量開關與電源開關合一，即逆時針旋轉至底使開關切斷而關閉電源。  

印刷電路板上使用的微調型電位器或稱半可變電阻

1.6 微調用電位器或可變電阻

作為微調用的電位器或可變電阻，通常位於設備內部、印刷電路板上，用於不需經常調整的地方，這種小型電位器或可變電阻，中文一般稱為半可變電阻，英文一般稱為 trimpot 或 trimmer（微調器。如不特別說明，trimmer 雖以可變電阻為多，但也可能是可變電容）。

數位電位器（Digital Potentiometer，簡稱 Digital Pot）

使用電子電路製成的 IC 型態的電位器，以數位訊號控制內部電子開關，以改變所接的電阻數值。

IC 型數位電位器各接腳的訊號電壓，不能超過該電位器 IC 的電源電壓，設計電路時須留意此點。

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1.Grouned Termina 接地端：在電位器上與軸連接的端子起屏蔽外部噪聲作用。

2.Name of terminal 端子的名稱：面向電位器的驅動裝置，將軸逆時針方向調節到盡頭時，在電氣上最靠近動觸點的終端引出端，稱為1端；另一端的終端引出端稱為3端，觸動點的引出端稱為2端。

3.Temperature Characteristic 溫度特性：電阻值隨溫度變化的特性。

4.Rotational Torque 旋轉力矩(啟動力矩)：使電位器轉軸(或旋鈕)轉動所需的力矩。

5.Allowable Operating Torque 終端止檔力矩：當轉軸(或旋鈕)轉到終端止檔位置而未引起檔點變形和其他可見損傷時的最大力矩。

6.Detent(-type) 定位裝置：電位器驅動機構造運動時，有手感定位的機械裝置。

7.Derating Curve 降功耗曲綫：最大功耗與環境溫度的關係曲綫(用額定功率的百分比表示)。

8.Nominal Total Resistance 標稱組值：標志在電位器上的電阻值(標準阻值)。

9.Cermet 金屬陶瓷：其電阻體是由印製在陶瓷基板上的金屬氧化物經高溫烘烤所組成，具有良好的耐候性。

10.Maximum Allowable Operating Voltage 最高工作電壓：

施加于電位器電阻體的最高電壓按下式計算：

Vmax=根號P.R     Vmax---最高工作壓力

P---額定功率     R---標稱阻值. 如果R大於臨界電阻時，Vmax 等於電阻體極限電壓。 

11. Maximum Resolution 最大分解能：絕對型編碼器的位元數或增量型編碼器旋轉一圈的脈衝數。

12. Residual Resistance 殘留電阻：當驅動機構處於反時針或順時針極限位置時，終端(端子1或端子3)與滑動端(端子2)之間的電阻值。

13. Allowable Force in Push-pull Action for Lever 軸的推力和拉力：電位器無可見損傷的情況下所能承受的軸向最大推力和拉力。

14. Shaft(lever) Play 軸的徑向晃動(間隙)：在垂直於軸心(操縱桿)方向施加一規定的力時軸(操縱桿)的傾斜。

15. Shaft Tilt 軸的傾斜：以電位器安裝平面為基準，軸在無負荷狀態下，軸心線與安裝平面的平行度或垂直度的偏移。

16. Sliding Noise 滑動噪聲：電位器操作時產生的電氣噪聲，用電壓或電阻的比率表示。

17. Insulation Resisance 絕緣電阻：電位器所有引出端連接在一起與外部金屬和轉軸(操縱桿)之間的電阻。

18. Total Rotational Angle 總旋轉角：操作軸在兩終點之間的旋轉角度。

19. Total Resistance and Tolerance 總阻值及允許偏差：這是電位器的基本性能之一，指在端子1與端子3之間的阻值及允許偏差。

20. Gang Error 相互偏差：多聯電位器各聯之間電阻規律的偏差，用分貝表示。

21.Withstanding Voltage 耐電壓：電位器活動部件與外部金屬件或轉軸(操縱杆)的絕緣未受破壞時所能承受的電壓。

22.Tap 抽頭：端子4通常稱為抽頭，設置在電阻體中心位置，用於響度電路，平衡電路等。

23.Carbon Film(Resistor) 碳膜(電阻體)：一般用途電位器的電阻體，以碳素為基材形成的碳膜。

24.Mounting Dimensions 安裝尺寸：電位器用於PC版安裝時，PC版安裝開孔尺寸。

25.Mounting Height 安裝高度：旋轉式電位器焊接於PC版時，從PC版安裝平面到軸心頂端的高度。

26.Solder Heat Resistance 耐焊錫熱：焊錫後電氣性能的變化。

27.Push-push 推-推開關：這是一種推一下ON，再推 一下OFF的開關。

28.Friction 摩擦：兩軸多聯電位器，內外軸利用摩擦力互鎖，通常內外軸能相互移位，其用途是音量控制，電平控制等。

29.Printed Circuit Terminal 印刷電路端子：這是一種插入印刷電路板焊接的端子。

30.Resistance Taper 電阻規律：表示電位器的阻值或輸出電壓變化與行程的關係的特性。

31.End Slip 終端無止動：無終端止檔機構電位器可360度旋轉。