目前拉绳位移传感器(增量式编码器)广泛应用於各种工业场合，用来测量位移，角度，线速度，角速度，或其他基於时间的物理量。IMC以前的白皮书介绍了一些利用一路或多路信号的拉绳位移传感器(增量式编码器)的功能及基本应用。人们有时候不仅仅对移动物体的速度感兴趣，也对运动的方向感兴趣。通过增加另一路辅助信号可以获取方向资讯，这路辅助信号与原先的信号保持固定的线性相位差。 在控制领域或其他需要高精度角度输出的领域，例如机加工和差分转速测量，编码器的解析度至关重要。我们可以利用一路辅助的拉绳位移传感器(增量式编码器)信号来提高信号的解析度。最常见是倍频技术，这可以得到4倍于原解析度的效果。如果需更高解析度，可利用增量式编码器產生两个相位差為90度的正弦信号来实现，这种编码器被称為SinCos编码器，然后利用细分技术能得到比传统方波编码器更高的解析度。

本文还将介绍其他的一些提高速度测试精度的方法。最后，将介绍一种利用简便的编码器电路来测量时间的方法。

物体运动方向的识别

為了得到运动方向，我们需要引入一路辅助的编码器信号。一种简单的方法是利用“方向”信号，例如，高电平代表顺时针方向，低电平代表逆时针方向。然而这个技术很难用於实际应用，因為低速时方向的敏感性将导致信号的模糊。不过通过第二路信号我们可以很轻鬆地得到方向资讯还有其他更多的相关资讯。典型的两路编码器感测器可以生成2路信号，每个量都是在逻辑1和0之间变换，其占空比為50%。此外，由於调整了实际信号源，两路信号间有固定的1/4週期差。

由於以上的这些规定，辅助信号Y从低变為高将可能出现在第一个X之前或者之后，这取决於运动的方向。因此，运动的方向可以从每个信号的上升沿的相对位置推断出来。

图1：方向的识别

利用倍频技术提高解析度

上述方法的另一个优点是可以提高拉绳位移传感器(增量式编码器)的解析度。如上所述，已知两路数位信号的採样率，而一个脉衝產生於每个信号从高→低，或低→高的瞬间，因此脉衝信号的频率是原信号频率的4倍，从而解析度提高了4倍。一个基於此应用而产生的感测器叫做正交编码器。

图2：通过将方波转换成暂态脉衝实现倍频

然而，当从高→低的信号比例不是准确的1：1的关系时，或者两路信号的相位差不是1/4週期时，将会导致一些错误。例如：

图3：由于周期偏离形成的非对称性脉衝

这种非对称性的脉衝将导致十分严重的错误输出。因為速度测量取决於时间的测量，而时间是相邻两个连续脉衝测得的，缩短或延长的脉衝间隔都会造成不正确的变化的结果。

因此，基於正交演算法的拉绳位移传感器(增量式编码器)需要一个非常稳定的机制来產生两路信号。

细分技术--增加解析度

一般来讲，拉线位移传感器(增量式编码器)输出的信号有两种状态，高电平或低电平;例如通过比较电路比较一个源自於机械部件(例如齿轮、制动盘等等)的信号得到上述信号。利用这些简单的信号，通过倍乘技术可以使信号的解析度提高，但是这样有很大的局限性，因為从这些脉衝中你只能得到比较有限的转动或平动的资讯。

儘管使用更高解析度的编码器可以提高解析度，但会受限於技术和实际应用的要求。更重要的是，由於增量式编码器的固有特性，它不能在低脉衝速率下输出连续的信号，在迴圈控制应用时其功能大大受限。

然而，一种拉线位移传感器(增量式编码器)能从脉衝的边缘提供一些资讯，这种元件能在所有的角度内產生可预测的连续变化的信号。通过细分而极大的提高解析度。

图4：传统方波编码器信号和sincos编码器信号

通过这种方式来改善解析度的编码器叫做Sincos编码器，因為它需要產生两路正弦类比信号，二者的相位差為90·. 每路正弦信号都是随著转动过程而不断输出的信号影响下產生的。

SinCos 感测器的插值技术(脉衝乘法器)

通过测试仪器来对类比插值进行直接计算可以显著提高精确度，最常用的技术是用sincos编码器来產生插值脉衝序列，或称為脉衝乘法器。通过这种方式转换时两路信号都进行了一系列的权重比较，这些比较是由一些配置恰当的比较器完成的。為了求得加权的角度，需要一串具有理想信号特性的二进位脉衝。这种方式需要10个20个或者更多的单路信号，而不仅仅是两路。 更重要的是，参考位置与原始正弦信号的振幅是不相关的。

图5：将Sincos编码器的输出信号转换成脉衝相乘输出的比较器电路

图6：我们的180PPR解析度的Sincos编码器模组(在一个元件里实现)

以及36倍频内插值脉衝信号。这个例子里，角度=0·，10·，20·，30·…

关于利用Sincos编码器测求绝对角度的技术

通过对Sincos编码器内的类比信号进行精确的计算，可以得到有效的高解析度信号，并且在低速或者静止的时候也能得到準确的资讯。我们以一个旋转拉线位移传感器(增量式编码器)为例来理解这种工作模式，这个编码器内包含有一个均匀分割的转盘。

这个圆盘被分成4个区，或者考虑成一个类比信号的週期分成4段，每段為1/4T，然后我们用正弦或余弦信号来创建传统的方波信号。同时抓取两个类比信号计算旋转物件在每一个採样点处精确的角度位置，而不仅仅是相对於每个分区的角度。

图7：在直角坐标系的一个週期内求取位置，相当於实际物理谐波编码器信号的一个週期或一个片段

在一个有正弦和余弦函数的直角坐标系统中，比如SinCos编码器，圆内的每个点都可以被表示出来。為了得到最佳的解析度，被计算的信号段应该有足够的线性度，因此只有图示区域的Sincos编码器信号才被採集。正是由於这个原因，如何确定圆周象限划分就是一个很重要的步骤，只有这样才能得到那些线性区域位置。表面上看，当信号形状接近三角波时，可以得到最佳精确度。

图8：用来插值计算的信号段

当结合位置资讯作為传统编码器使用时，儘管信号的精度通常仅提高10倍左右，但是其有效解析度可以提高256倍，相当於1转200000到300000脉衝。

Sincos编码器的幅值取决於信号的频率。对光电Sincos编码器来讲，信号的带宽随著频率的增加而受限制，高次谐波成分的减少将导致它的形状趋向於正弦而不是三角波。由於感测器加工过程中存在公差等原因，感测器的信号具有不对称性，这是导致误差的另一个问题。

为了使拉绳位移传感器(增量式编码器)有各种各样的幅值而且也有很高的解析度，两个信号将被同时採集，由正弦值与余弦值之比得到的正切值(或者餘切值，取决於象限)提供了角度资讯，这个资讯独立於幅值。

在实际应用中，由於磨损以及感测器加工误差的存在，还需要对感测器进行标定。标定可以在实际中通过分析一些性能良好、缓变的机械系统来完成。例如，一个品质很大的旋转器件，当它下落时，可以用来记录其旋转时信号的实际歷程。

该技术主要的限制是由Sincos编码器產生的信号不是完全的正弦状。进行插值计算可以提高解析度，但是它的效果总是小於利用高频脉衝技术理论上得到的可行值。

Sincos编码器最大的优点是增加了静态解析度;静态时，仍然有中间插值。由於它提供了带有精准实际值的控制模组，因此更适合应用於闭环控制中，从而避免了能够引起更多损耗的残餘波动。

通过动态路径测量来增加精度

测量大品质的旋转物体如一些有大惯性的驱动轴时(用Sincos编码器或传统的方波编码器)，由於旋转加速度的带宽十分有限，可以通过动态路径测量来增加测量的精确性，而这种方法不会提高测试的解析度：旋转速度是由先前的採样间隔得来的。因此，物体在一个採样间隔的位置，或者具体的路径，都能用来推算速度信号。这种推算能力只受限於电脑的资料处理能力，例如：

图9：动态路径测量——分别用传统的编码器和Imc的编码器测得的结果

在之前的一个採样间隔内(T1对12，T2对T3)我们用速度的一阶推导来求出运行轨跡(上述例子中，时间是T4)，不过前提是相对採样间隔，变化率很小(例如物体的惯性足够大的时候)。

通过脉衝累积，被测物体在编码器脉衝和採样瞬间时刻之间的这段时间路径将被增加到整个运动路径中。没有这个过程，通过纯粹的脉衝计数将导致测量的误差，该误差随採样间隔的不同而变化，因為位置信号脉衝(脉衝)和它的输出之间(採样时间)的实际差别是在变化的。

但是，底层测量的性质限制了精度的提高;速度减小将造成每个採样间隔之间脉衝的数目减少，测量的精度也会随之减小。

利用动态路径技术来创建丢失波形的指示信号

根据编码器的脉衝和採样瞬间时刻之间的时间间隔可以获得速度和运动路径，这也是用於增量式感测器的技术，它利用一个很小的增量来区分初始脉衝(或指示脉衝)，而不是用一个单独的0相位脉衝。 丢失的增量信号常常用来表示0相位脉衝。丢失脉衝所產生的速度的微小的变化被编码器用来当做初始脉衝，而且以这个位置為参考进行接下来的计算。需要注意的是在一个採样间隔内脉衝应该尽可能的多，这样由於丢失脉衝引起的速度变化将会小之又小。

利用增量式编码器的电路进行脉衝时间测量

由IMC数采设备所配的编码器电路模组功能相当齐全，除了可以测量频率，还可以测量信号传递时间。而且可以测量高低电平所持续的时间，或它们各自所占的比例，这些资讯被应用到脉宽编码信号，或脉宽调製。简单举个例子，下面图形显示了脉衝长度，或者称為占空比，这些都是与信号值成正比的。脉宽调製信号在电动机械的控制中起了十分重要的作用，如电动马达控制器的应用。

图10：不同脉衝时间的测试

上述的这些分析扩大了拉绳位移传感器(增量式编码器)的应用。但是许多工程师不懂得这些技术，即使瞭解这些技术，也会由於缺少合适的输入电路而不能利用编码器信号的这些优点。能够实现上述所有功能的增量式编码器电路将是一个杰作。值得期待的是，imc 将提供这样的系统：HRENC-4(高解析度编码器模组)，这是CRONOS-PL测试平臺的一个可选模组。

图11：高精度编码器模组(HRENC-4)和万用测试系统CRONOS-PL4