Инкрементальные энкодеры виды, устройство и принцип работы.

Инкрементальные энкодеры предназначены для контроля угловых и линейных перемещений, соответственно разделяются на два основных вида:
 -поворотные, измерения угла поворота;
 -линейные, измерения расстояния.

Все они могут быть механическими, оптическими или магнитными, и их принцип действия идентичен.

Механические энкодеры: информация собирается через контакты, которые вращаются по металлическому диску с прорезями. При вращении контакты замыкаются и размыкаются, передавая данные через выводы, обозначенные символами A и B. Третий вывод должен быть заземлён.

Из-за формирования сигнала механическим путём в нём возникает дребезг, который приводит к нарушению счёта и является основным недостатком данных энкодеров. Для подавления или исключения дребезга используют цифровой фильтр, который должен пропускать сигнал не меньше определённой продолжительности, исключая короткие всплески дребезга. Такой фильтр обычно предусмотрен в принимающей микросхеме.

К недостаткам можно также отнести малое разрешение энкодера и недолговечность.

Схема подключения.

Оптические энкодеры: у них контроль поворота или смещения (линейный энкодер) происходит совсем иначе, светодиод пропускает свет через диск или ленту с прозрачными и затемняющими рисками, на обратной стороне напротив находятся два фотодатчика, которые фиксируют смещение рисок. Данные энкодеры обладают самым большим разрешением, и у них отсутствует дребезг, они долговечны.

Вращая энкодер, риски на диске перемещаются и закрывают или открывают фотодатчики, тем самым формируя на информационных выводах A и B сигнал, похожий на квадратурный, но с неровными фронтами (краями) подъёма и спада, чем медленней вращение, тем больше закругление фронтов. Для получения сигнала квадратурной формы, сигналы с выводов A и B нужно пропустить через микросхему с функцией триггера Шмитта, например SN74HC14N.

Схема подключения.

Если используются вот такие оптические энкодеры, то выходной сигнал на выводах A и B будет квадратурным за счёт встроенных дополнительных транзисторов. У некоторых, в зависимости от модификации, имеются внутренние подтягивающие резисторы, смотрите документацию на конкретный энкодер.

Магнитные энкодеры по принципу работы похожи на оптические, только вместо диска с рисками магнитный и вместо фотодатчиков датчики магнитного поля или Холла. Достоинства такие же, как у оптических, за исключением разрешения, у них оно небольшое.

Ниже схема с сенсорами A3141 или A3144, которые имеют встроенные триггеры Шмитта.

Если в вашем сенсоре его нет, то пропускать сигналы A и B придется через внешний триггер, потому что на выходе будет синусоидальный сигнал, схему можно взять с оптического энкодера.

Принцип работы энкодеров.

Повторюсь, принцип работы механических, оптических и магнитных инкрементных энкодеров одинаков, только по считыванию информации они различаются.

На работе оптического энкодера я попытаюсь объяснить, как они работают и почему разрешение энкодера, например, 100 рисок на оборот, а контроллер считает в четыре или в два раза больше.

Дело в том, что контроллер или его аппаратная часть (какой-нибудь таймер с интерфейсом энкодера) воспринимает или реагирует на события с выводов A и B энкодера, то есть спад или подъём напряжения. После чего контроллер с помощью логики по комбинации кода Грея определяет, куда было смещение рисок, и в соответствии прибавляет или уменьшает счётчик. Если возникнет комбинация, порядок которой не предусмотрен, то контроллер зафиксирует с помощью своих регистров ошибку.

Прохождение одной затемняющей и одной прозрачной риски является периодом, за один период возникает четыре события, соответственно, четыре прибавления или уменьшения счётчика. В контроллерах имеются настройки, с помощью которых события могут фиксировать только с вывода A или B, тогда счёт за период будет прибавляться на два, а не на четыре.

Для корректной работы энкодера затемняющие и прозрачные риски в месте считывания фотодатчиком должны быть одинаковы, фотодатчики смещены друг от друга на 90 градусов или четверть периода.

И напоследок, многие пытаются контролировать энкодер с помощью программного кода, что является неправильно, так как контроллер будет сильно нагружен и не сможет отследить все события с выводов A и B энкодера или отфильтровать их от ложных срабатываний (помех), что приводит к неправильному счёту. Я такой метод считаю неприемлемым и рекомендую использовать в крайнем случае.

Для правильного использования энкодера во многих контроллерах есть уже готовый аппаратный интерфейс, который реализован в специальных таймерах (смотрите документацию), вам остаётся его правильно настроить и просто контролировать счётчик, что практически не нагружает контроллер во время выполнения основной программы. Также в этих таймерах предусмотрены входные цифровые фильтры, которые корректно отслеживают все события и отсеивают все ложные срабатывания с выводов энкодера.

В следующих статья я выложу примеры программ для подключения энкодера к контроллерам STM8S и STM32F с помощью таймеров.