面板安裝式編碼器 – 基礎知識說明

本文將深入說明面板安裝式旋轉編碼器的電機工程相關知識。本質上，這些元件就是一種傳感器，可將旋轉位移轉換成電氣訊號，提供給主機系統。編碼器的機制為在旋轉過程中產生脈衝，進而讓控制元件能夠識別方向、位置、計數或速度等關鍵資訊。

面板安裝式編碼器在各種產業中皆非常重要，無論是國防與航太、醫療、消費性商品、測試／測量等產業，全都可以看到這類元件。面板安裝式編碼器的多功能特性，能在駕駛艙控制裝置、錄音室混音器和音訊設備、電子實驗室和儀器設置、馬達驅動器等各種應用中發揮作用。由於面板安裝式編碼器功能多樣，因此成為製作精確控制介面的首選。本文將探討面板安裝式旋轉編碼器的基本工作原理，說明關鍵規格和考量因素。

面板安裝式編碼器基礎知識

在旋轉編碼器中，面板安裝式編碼器如其名，此類產品的實體固定至面板上。這些元件主要提供人機介面功能，其中一例便是音響上的音量旋鈕。其作用是充當使用者和系統處理器之間的橋樑，讓使用者能夠操作各種系統參數。

若與電位器 (另一種擁有類似「旋轉至訊號」轉譯函式的面板安裝式元件) 相比，會發現面板安裝式旋轉編碼器具有獨特的優勢。面板安裝式編碼器以其更嚴格的製造容差著稱，可提高準確度和一致性。此外，其數位輸出可以與當代數位裝置無縫匹配，因而無需使用類比數位轉換器，進而降低成本及潛在錯誤。然而，若您對電位器感興趣，可參閱 Same Sky 的《電位器的完整指南》，其中完整探討這些類似但有所不同的元件。

面板安裝式編碼器的規格和考量因素

在深入剖析面板安裝式旋轉編碼器的細節時，有幾個關鍵規格和考量因素值得進一步注意。每轉脈衝數 (PPR) 是其中一項顯著的定義指標；藉著此指標可指出旋轉每 360 度產生的方波脈衝數，以此方式量化編碼器的解析度 (圖 1)。解析度也能以每轉計數 (CPR) 取得。計算方式為 PPR 乘以 4，可代表每轉的正交狀態變化數。若要全面瞭解這些指標，可參閱 Same Sky 的《增量型編碼器的 PPR、CPR、LPR 之間的差異為何？》，其中提供不少寶貴資源。

圖 1：脈衝是從一個點到下一個相同點的波形。(圖片來源：Same Sky)

擎止是一項不可或缺的功能，可讓軸在旋轉過程中發出「咔嗒」聲，為使用者提供回饋。擎止係依據每 360 度旋轉的咔嗒聲定義，可以防止意外旋轉，並在軸移動至特定角度時，提供觸覺指示。

可將按壓開關加入編碼器的功能，引入額外的使用者輸入訊號。在編碼器軸上按下，即可致動簡單的 SPST 開關。此功能通常是透過旋轉編碼器旋鈕，選擇要操控的功能。

旋轉編碼器會利用兩個通道的方波 (彼此偏移 90 度)，來辨別方向。這些通道之間的相對移相，可啟用對前導通道的偵測，提供可靠的旋轉方向指示器 (圖 2)。

圖 2：前導訊號偵測可用於監控順時針或逆時針旋轉。(圖片來源：Same Sky)

在追求增強解析度時，許多應用選擇正交狀態變化：一個週期包含從低到高的轉換，然後在兩個通道上都回到低態。這種方法可有效增加每次旋轉的計數，提高編碼器在追蹤旋轉運動時的解析度和精密度。透過這項策略，可從每一轉中擷取更多詳節資訊，以最佳化編碼器在各種應用中的效能，可謂是明智之舉。

圖 3：正交真值表。(圖片來源：Same Sky)

將面板安裝式編碼器連接到微控制器需要建立電路，微控制器會供應電流，並提供到達 V+ 的路徑，編碼器則會提供接地路徑。這種協作形成了一個完整的電路，讓編碼器和微控制器之間順暢無礙的通訊。「開集極」一詞也可與「漏型 (sink)」互用，表示輸出電晶體的集極是位於單元的外部。這一切都是在考量如何為資料交換建立有效的電氣路徑。

另外，也必須區分出微控制器使用不同的計數方式：

1. 單通道的脈衝：此方法簡單易用，可為每個脈衝指派 1 個計數，對基本計數即已夠用的應用，可簡化其計數流程。
2. 雙通道的脈衝：運用雙通道可以有效率讓計數加倍，進而更詳細、更準確地呈現編碼器的移動。
3. 正交狀態變化：選擇採用正交狀態變化，可利用每個週期四個計數的優勢，在追蹤旋轉移動時，提供更高的解析度和精密度。

機械與光學的比較

一般而言，面板安裝式編碼器使用兩種主要技術：機械和光學。

機械編碼器以開關陣列運作，本身須倚賴碼輪，其觸點沿外緣均勻分佈。同時，在編碼器機殼上有固定一個靜止的觸點 (圖 4)。碼輪旋轉時會按順序，一次一個，建立並中斷與碼輪觸點的接觸。這種在電路中的接合和分離的循環會產生電壓脈衝，這是一種將旋轉運動轉換為電氣訊號的基本機制。

圖 4：機械編碼器的內部運作。(圖片來源：Same Sky)

必須強調的是，機械編碼器本質上是用作機械開關陣列，因而需要使用解彈跳電路和編程，確保其輸出可用。在理想的情況下，開關會有明確的開-關狀態，但實際狀況會更複雜。開關可能會在這些狀態之間出現懸停或彈跳，導致訊號失真。這種彈跳現象被稱為開關彈跳，可能被錯誤解讀為額外脈衝，為系統引入不準確度。

為了緩解開關的彈跳，得依靠解彈跳電路 (圖 5)。此種電路可讓輸出「變成方形」，確保訊號準確代表預期的開／關狀態，而不會受到彈跳或懸停效果的干擾。重視訊號完整性，是讓機械編碼器達到可靠、精確效能的關鍵。

圖 5：解彈跳電路有助於使機械編碼器的輸出「變成方形」。(圖片來源：Same Sky)

另一方面，光學編碼器由三個基本元件組成：光源、光偵測器、碼輪。這三個元件的運作細節：

1. 光源：此元件會發出光線。
2. 光偵測器：位於光源的對向，可感測發射的光線。
3. 碼輪：位於光源和偵測器之間，有間距均勻分佈的狹縫。這些狹縫會允許光線交替穿過或受阻。

在操作週期內，會有光源穿過碼輪中的狹縫照射出來。偵測器會根據狹縫是否允許光線穿過或受阻，記錄光線強度的變化。內部電路的回應完全取決於是否有偵測到光線，以啟用或停用輸出。此機制允許光學編碼器有效地將位置資訊轉換成電氣訊號。

圖 6：光學編碼器的內部運作。(圖片來源：Same Sky)

由比較結果得知，機械編碼器具有成本效益和多功用性，且電壓範圍較寬廣。然而，這類編碼器需要解彈跳電路以獲得可靠的訊號，而且生命週期較短。另一方面，光學編碼器雖然通常價格較高，但其使用壽命較長。這類編碼器可提供更清晰的輸出訊號，且不需要解彈跳電路。此外，在精密應用中，光學編碼器可以提供更高的解析度。

結論

面板安裝式編碼器在多種產業的使用者介面應用中，將繼續佔有一席之地。全面掌握可用的編碼器技術、基本規格和設計考量因素，成為挑選最佳元件重要的一環。Same Sky 提供一系列機械與光學面板安裝式編碼器產品，幾乎可針對任何設計要求進行量身訂製。除了面板安裝式編碼器，Same Sky 的電容式 AMT 旋轉編碼器，可提供其他編碼器技術無法達到的準確度與耐用性。