目前拉繩位移傳感器(增量式編碼器)廣泛應(yīng)用於各種工業(yè)場合，用來測量位移，角度，線速度，角速度，或其他基於時間的物理量。IMC以前的白皮書介紹了一些利用一路或多路信號的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的功能及基本應(yīng)用。人們有時候不僅僅對移動物體的速度感興趣，也對運動的方向感興趣。通過增加另一路輔助信號可以獲取方向資訊，這路輔助信號與原先的信號保持固定的線性相位差。 在控制領(lǐng)域或其他需要高精度角度輸出的領(lǐng)域，例如機加工和差分轉(zhuǎn)速測量，編碼器的解析度至關(guān)重要。我們可以利用一路輔助的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)信號來提高信號的解析度。最常見是倍頻技術(shù)，這可以得到4倍于原解析度的效果。如果需更高解析度，可利用增量式編碼器產(chǎn)生兩個相位差為90度的正弦信號來實現(xiàn)，這種編碼器被稱為SinCos編碼器，然后利用細分技術(shù)能得到比傳統(tǒng)方波編碼器更高的解析度。

本文還將介紹其他的一些提高速度測試精度的方法。最后，將介紹一種利用簡便的編碼器電路來測量時間的方法。

物體運動方向的識別

為了得到運動方向，我們需要引入一路輔助的編碼器信號。一種簡單的方法是利用“方向”信號，例如，高電平代表順時針方向，低電平代表逆時針方向。然而這個技術(shù)很難用於實際應(yīng)用，因為低速時方向的敏感性將導(dǎo)致信號的模糊。不過通過第二路信號我們可以很輕鬆地得到方向資訊還有其他更多的相關(guān)資訊。典型的兩路編碼器感測器可以生成2路信號，每個量都是在邏輯1和0之間變換，其占空比為50%。此外，由於調(diào)整了實際信號源，兩路信號間有固定的1/4週期差。

由於以上的這些規(guī)定，輔助信號Y從低變?yōu)楦邔⒖赡艹霈F(xiàn)在第一個X之前或者之后，這取決於運動的方向。因此，運動的方向可以從每個信號的上升沿的相對位置推斷出來。

圖1：方向的識別

利用倍頻技術(shù)提高解析度

上述方法的另一個優(yōu)點是可以提高拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的解析度。如上所述，已知兩路數(shù)位信號的採樣率，而一個脈衝產(chǎn)生於每個信號從高→低，或低→高的瞬間，因此脈衝信號的頻率是原信號頻率的4倍，從而解析度提高了4倍。一個基於此應(yīng)用而產(chǎn)生的感測器叫做正交編碼器。

圖2：通過將方波轉(zhuǎn)換成暫態(tài)脈衝實現(xiàn)倍頻

然而，當(dāng)從高→低的信號比例不是準(zhǔn)確的1：1的關(guān)系時，或者兩路信號的相位差不是1/4週期時，將會導(dǎo)致一些錯誤。例如：

圖3：由于周期偏離形成的非對稱性脈衝

這種非對稱性的脈衝將導(dǎo)致十分嚴重的錯誤輸出。因為速度測量取決於時間的測量，而時間是相鄰兩個連續(xù)脈衝測得的，縮短或延長的脈衝間隔都會造成不正確的變化的結(jié)果。

因此，基於正交演算法的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)需要一個非常穩(wěn)定的機制來產(chǎn)生兩路信號。

細分技術(shù)--增加解析度

一般來講，拉線位移傳感器(增量式編碼器)輸出的信號有兩種狀態(tài)，高電平或低電平;例如通過比較電路比較一個源自於機械部件(例如齒輪、制動盤等等)的信號得到上述信號。利用這些簡單的信號，通過倍乘技術(shù)可以使信號的解析度提高，但是這樣有很大的局限性，因為從這些脈衝中你只能得到比較有限的轉(zhuǎn)動或平動的資訊。

儘管使用更高解析度的編碼器可以提高解析度，但會受限於技術(shù)和實際應(yīng)用的要求。更重要的是，由於增量式編碼器的固有特性，它不能在低脈衝速率下輸出連續(xù)的信號，在迴圈控制應(yīng)用時其功能大大受限。

然而，一種拉線位移傳感器(增量式編碼器)能從脈衝的邊緣提供一些資訊，這種元件能在所有的角度內(nèi)產(chǎn)生可預(yù)測的連續(xù)變化的信號。通過細分而極大的提高解析度。

圖4：傳統(tǒng)方波編碼器信號和sincos編碼器信號

通過這種方式來改善解析度的編碼器叫做Sincos編碼器，因為它需要產(chǎn)生兩路正弦類比信號，二者的相位差為90·. 每路正弦信號都是隨著轉(zhuǎn)動過程而不斷輸出的信號影響下產(chǎn)生的。

SinCos 感測器的插值技術(shù)(脈衝乘法器)

通過測試儀器來對類比插值進行直接計算可以顯著提高精確度，最常用的技術(shù)是用sincos編碼器來產(chǎn)生插值脈衝序列，或稱為脈衝乘法器。通過這種方式轉(zhuǎn)換時兩路信號都進行了一系列的權(quán)重比較，這些比較是由一些配置恰當(dāng)?shù)谋容^器完成的。為了求得加權(quán)的角度，需要一串具有理想信號特性的二進位脈衝。這種方式需要10個20個或者更多的單路信號，而不僅僅是兩路。 更重要的是，參考位置與原始正弦信號的振幅是不相關(guān)的。

圖5：將Sincos編碼器的輸出信號轉(zhuǎn)換成脈衝相乘輸出的比較器電路

圖6：我們的180PPR解析度的Sincos編碼器模組(在一個元件里實現(xiàn))

以及36倍頻內(nèi)插值脈衝信號。這個例子里，角度=0·，10·，20·，30·…

關(guān)于利用Sincos編碼器測求絕對角度的技術(shù)

通過對Sincos編碼器內(nèi)的類比信號進行精確的計算，可以得到有效的高解析度信號，并且在低速或者靜止的時候也能得到準(zhǔn)確的資訊。我們以一個旋轉(zhuǎn)拉線位移傳感器(增量式編碼器)為例來理解這種工作模式，這個編碼器內(nèi)包含有一個均勻分割的轉(zhuǎn)盤。

這個圓盤被分成4個區(qū)，或者考慮成一個類比信號的週期分成4段，每段為1/4T，然后我們用正弦或余弦信號來創(chuàng)建傳統(tǒng)的方波信號。同時抓取兩個類比信號計算旋轉(zhuǎn)物件在每一個採樣點處精確的角度位置，而不僅僅是相對於每個分區(qū)的角度。

圖7：在直角坐標(biāo)系的一個週期內(nèi)求取位置，相當(dāng)於實際物理諧波編碼器信號的一個週期或一個片段

在一個有正弦和余弦函數(shù)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，比如SinCos編碼器，圓內(nèi)的每個點都可以被表示出來。為了得到最佳的解析度，被計算的信號段應(yīng)該有足夠的線性度，因此只有圖示區(qū)域的Sincos編碼器信號才被採集。正是由於這個原因，如何確定圓周象限劃分就是一個很重要的步驟，只有這樣才能得到那些線性區(qū)域位置。表面上看，當(dāng)信號形狀接近三角波時，可以得到最佳精確度。

圖8：用來插值計算的信號段

當(dāng)結(jié)合位置資訊作為傳統(tǒng)編碼器使用時，儘管信號的精度通常僅提高10倍左右，但是其有效解析度可以提高256倍，相當(dāng)於1轉(zhuǎn)200000到300000脈衝。

Sincos編碼器的幅值取決於信號的頻率。對光電Sincos編碼器來講，信號的帶寬隨著頻率的增加而受限制，高次諧波成分的減少將導(dǎo)致它的形狀趨向於正弦而不是三角波。由於感測器加工過程中存在公差等原因，感測器的信號具有不對稱性，這是導(dǎo)致誤差的另一個問題。

為了使拉繩位移傳感器(增量式編碼器)有各種各樣的幅值而且也有很高的解析度，兩個信號將被同時採集，由正弦值與余弦值之比得到的正切值(或者餘切值，取決於象限)提供了角度資訊，這個資訊獨立於幅值。

在實際應(yīng)用中，由於磨損以及感測器加工誤差的存在，還需要對感測器進行標(biāo)定。標(biāo)定可以在實際中通過分析一些性能良好、緩變的機械系統(tǒng)來完成。例如，一個品質(zhì)很大的旋轉(zhuǎn)器件，當(dāng)它下落時，可以用來記錄其旋轉(zhuǎn)時信號的實際歷程。

該技術(shù)主要的限制是由Sincos編碼器產(chǎn)生的信號不是完全的正弦狀。進行插值計算可以提高解析度，但是它的效果總是小於利用高頻脈衝技術(shù)理論上得到的可行值。

Sincos編碼器最大的優(yōu)點是增加了靜態(tài)解析度;靜態(tài)時，仍然有中間插值。由於它提供了帶有精準(zhǔn)實際值的控制模組，因此更適合應(yīng)用於閉環(huán)控制中，從而避免了能夠引起更多損耗的殘餘波動。

通過動態(tài)路徑測量來增加精度

測量大品質(zhì)的旋轉(zhuǎn)物體如一些有大慣性的驅(qū)動軸時(用Sincos編碼器或傳統(tǒng)的方波編碼器)，由於旋轉(zhuǎn)加速度的帶寬十分有限，可以通過動態(tài)路徑測量來增加測量的精確性，而這種方法不會提高測試的解析度：旋轉(zhuǎn)速度是由先前的採樣間隔得來的。因此，物體在一個採樣間隔的位置，或者具體的路徑，都能用來推算速度信號。這種推算能力只受限於電腦的資料處理能力，例如：

圖9：動態(tài)路徑測量——分別用傳統(tǒng)的編碼器和Imc的編碼器測得的結(jié)果

在之前的一個採樣間隔內(nèi)(T1對12，T2對T3)我們用速度的一階推導(dǎo)來求出運行軌跡(上述例子中，時間是T4)，不過前提是相對採樣間隔，變化率很小(例如物體的慣性足夠大的時候)。

通過脈衝累積，被測物體在編碼器脈衝和採樣瞬間時刻之間的這段時間路徑將被增加到整個運動路徑中。沒有這個過程，通過純粹的脈衝計數(shù)將導(dǎo)致測量的誤差，該誤差隨採樣間隔的不同而變化，因為位置信號脈衝(脈衝)和它的輸出之間(採樣時間)的實際差別是在變化的。

但是，底層測量的性質(zhì)限制了精度的提高;速度減小將造成每個採樣間隔之間脈衝的數(shù)目減少，測量的精度也會隨之減小。

利用動態(tài)路徑技術(shù)來創(chuàng)建丟失波形的指示信號

根據(jù)編碼器的脈衝和採樣瞬間時刻之間的時間間隔可以獲得速度和運動路徑，這也是用於增量式感測器的技術(shù)，它利用一個很小的增量來區(qū)分初始脈衝(或指示脈衝)，而不是用一個單獨的0相位脈衝。 丟失的增量信號常常用來表示0相位脈衝。丟失脈衝所產(chǎn)生的速度的微小的變化被編碼器用來當(dāng)做初始脈衝，而且以這個位置為參考進行接下來的計算。需要注意的是在一個採樣間隔內(nèi)脈衝應(yīng)該盡可能的多，這樣由於丟失脈衝引起的速度變化將會小之又小。

利用增量式編碼器的電路進行脈衝時間測量

由IMC數(shù)采設(shè)備所配的編碼器電路模組功能相當(dāng)齊全，除了可以測量頻率，還可以測量信號傳遞時間。而且可以測量高低電平所持續(xù)的時間，或它們各自所占的比例，這些資訊被應(yīng)用到脈寬編碼信號，或脈寬調(diào)製。簡單舉個例子，下面圖形顯示了脈衝長度，或者稱為占空比，這些都是與信號值成正比的。脈寬調(diào)製信號在電動機械的控制中起了十分重要的作用，如電動馬達控制器的應(yīng)用。

圖10：不同脈衝時間的測試

上述的這些分析擴大了拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的應(yīng)用。但是許多工程師不懂得這些技術(shù)，即使瞭解這些技術(shù)，也會由於缺少合適的輸入電路而不能利用編碼器信號的這些優(yōu)點。能夠?qū)崿F(xiàn)上述所有功能的增量式編碼器電路將是一個杰作。值得期待的是，imc 將提供這樣的系統(tǒng)：HRENC-4(高解析度編碼器模組)，這是CRONOS-PL測試平臺的一個可選模組。

圖11：高精度編碼器模組(HRENC-4)和萬用測試系統(tǒng)CRONOS-PL4