編碼器的定義與功能： 

在數(shù)字系統(tǒng)里，常常需要將某一信息（輸入）變換為某一特定的代碼（輸出）。把二進制碼按一定的規(guī)律編排，例如8421碼、格雷碼等，使每組代碼具有一特定的含義（代表某個數(shù)字或控制信號）稱為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼器。編碼器有若干個輸入，在某一時刻只有一個輸入信號被轉(zhuǎn)換成為二進制碼。如果一個編碼器有N個輸入端和n個輸出端，則輸出端與輸入端之間應(yīng)滿足關(guān)系N≤2n。 例如8線—3線編碼器和10線—4線編碼器分別有8輸入、3位二進制碼輸出和10輸入、4位二進制碼輸出。 

1.4線—2線編碼器 

下面分析4輸入、2位二進制輸出的編碼器的工作原理。4線—2線編碼器的功能如表5.2.1所示。 

 

根據(jù)邏輯表達式畫出邏輯圖如圖5.2.1所示。該邏輯電路可以實現(xiàn)如表5.2.1所示的功能，即當(dāng)I0～I3中某一個輸入為1，輸出 Y1Y0即為相對應(yīng)的代碼，例如當(dāng)I1為1時，Y1Y0為01。這里還有一個問題請讀者注意。當(dāng)I0為1，I1～I3都為0和I0～I3均為0時Y1Y0 都是00，而這兩種情況在實際中是**加以區(qū)分的，這個問題留待后面加以解決。當(dāng)然，編碼器也可以設(shè)計為低電平有效。 

 

2.鍵盤輸入8421BCD碼編碼器： 

計算機的鍵盤輸入邏輯電路就是由編碼器組成。圖5.2.2是用十個按鍵和門電路組成的8421碼編碼器，其功能如表5.2.2所示， 其中S0～S9代表十個按鍵，即對應(yīng)十進制數(shù)0～9的輸入鍵，它們對應(yīng)的輸出代碼正好是8421BCD碼，同時也把它們作為邏輯變量，ABCD 為輸出代碼(A為較高位)，GS為控制使能標(biāo)志。 

對功能表和邏輯電路進行分析，都可得知：①該編碼器為輸入低電平有效；②在按下S0～S9中任意一個鍵時,即輸入信號中有一個為有效電平時，GS＝1，代表有信號輸入，而只有S0～S9均為高電平時GS＝0，代表無信號輸入,此時的輸出代碼0000為無效代碼。由此解決了前面提出的如何區(qū)分兩種情況下輸出都是全0的問題。 

 

 

綜上所述，對編碼器歸納為以下幾點： 

1.編碼器的輸入端子數(shù)N（要進行編碼的信息的個數(shù)）與輸出端子數(shù)n（所得編碼的位數(shù)）之間應(yīng)滿足關(guān)系式N≤2n。 

2.編碼器的每個輸入端都代表一個二進制數(shù)、十進制數(shù)或其它信息符號，而且在N個輸入端中每次只允許有一個輸入端輸入信號（輸入低電平有效或輸入高電平有效），輸出為相應(yīng)的二進制代碼或二－十進制代碼（BCD碼）。 

3.正確使用編碼器的控制端，可以用來擴展編碼器的功能。 

一、光電編碼器的工作原理 

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目

前應(yīng)用較多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板**分

地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)

光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光

電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差

90o的兩路脈沖信號。 


根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分

為增量式、**式以及混合式三種。

（一）增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可

方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均

壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，**性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕

對位置信息。

（二）**式編碼器

**編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和

不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位

數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根

據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意

位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位

二進制分辨率的編碼器，其碼盤**有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的**編碼器產(chǎn)品。

**式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的。**式編碼器與增量式

編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，**編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編

碼，檢測**位置。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是：

1．可以直接讀出角度坐標(biāo)的**值；

2．沒有累積誤差；

3．電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，

目前有10位、14位等多種。

（三）混合式**值編碼器

混合式**值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁較位置，帶有**信息功能；另一組則完

全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的

電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作**,接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺

、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。

二、光電編碼器的應(yīng)用電路

（一）EPC－75**光電編碼器的應(yīng)用

EPC－75**光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩(wěn)定**

的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器

時，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用EPC－75**光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸

出分辨率選用360個脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，需

要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數(shù)。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數(shù)電路，鑒相電

路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成，計數(shù)電路用3片74LS193組成


當(dāng)光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形**前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電

平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門打開，計數(shù)脈沖通過（波形W3），送至雙向計數(shù)器74LS193的加

脈沖輸入端CU，進行加法計數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當(dāng)光電編碼器逆

時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波形W2

）為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）；此時，下面與非門打開，計數(shù)脈沖通過（

波形W4），送至雙向計數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進行減法計數(shù)。

汽車方向盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其較大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器

，其較大輸出脈沖數(shù)為900個；實際使用的計數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時，先對其進

行復(fù)位（CLR信號），再將其初值設(shè)為800H，即2048（LD信號）；如此，當(dāng)方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電

路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計數(shù)電路的

數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。

實際使用時，方向盤頻繁地進行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向

盤回中時計數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個方向盤

回中檢測電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測回中檢測電路，若方

向盤處于回中狀態(tài)，而計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計數(shù)電路進行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。

（二）光電編碼器在重力測量儀中的應(yīng)用

采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移

量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，**編碼器和增量編碼器。

增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比**編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高 。一般只需

要三條碼道，這里的碼道實際上已不具有**編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計數(shù)脈沖。它的碼盤的外道

和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯開半個區(qū)。當(dāng)碼

盤轉(zhuǎn)動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號以及只有一條透光狹縫的*三碼道所產(chǎn)生

的脈沖信號（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的

相位關(guān)系（**前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道**前π/2，而反轉(zhuǎn)時 ，

A道脈沖比B道滯后π/2。是一實際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘

與’，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出

脈沖源和脈沖計數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個（碼道）輸出信號，其

相位差為π/ N，可計數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。電路的缺點是有時會產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這

種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號處于“高”或“低”電平狀態(tài)，而另一道信號正處于“高”和 “低”之間的

往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動或手動

對準(zhǔn)位置時（下面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況）。


 

是一個既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時

鐘發(fā)生電路。每一道有兩個D觸發(fā)器串接，這樣，在時鐘脈 沖的間隔中，兩個Q端（如對應(yīng)B道的74LS175

的第2、7引腳）保持前兩個時鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時鐘間隔中無變化；否則，可以根

據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動在‘高’、

‘低’間往復(fù)變化 時，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個計數(shù)器取代數(shù)和時就可*它

們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點）。由此可見，時鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動頻率的可能 較大

值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個計數(shù)脈沖。例如，原