4.2.1 脉冲信号生成

脉冲控制要用到脉冲信号。脉冲信号编码器是用以生成脉冲信号的装置。它把模拟信号，如位移、速度、温度，转换成脉冲信号。具体有旋转编码器、感应同步器、温度脉冲转换器、湿度脉冲转换器等。

1.码盘

测量角位移的数字编码器。它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。码盘可分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能给出角向位置绝对值；后者只能给出角向位置相对值。

（1）绝对式编码器。图4-1示的为接触绝对式编码器示意图。它由编码盘、电刷和电路组成。

它是一个6位二进制编码器。码盘与旋转轴固定在一起。码盘上有6条码道，每条码道上有许多扇形导电区（黑区）和不导电区（白区），全部导电区连在一起接到一个公共电源上。6个电刷沿一个固定的径向安装，分别与6条码道接触。每个电刷与一单根导线相连，输出6个电信号，其电平根据码盘的位置确定。当电刷与导电区接触时，输出为“1”电平；与不导电区接触时，输出为“0”电平。随着转角的不同，输出相应的码。编码器的精度取决于码盘本身的精度，分辨率则取决于有几个码道。如10条码道的码盘，其分辨率为1/1024。

二进制码优点是可直接进入计算机工作，但它在交界面上会出现错读，并且随着码盘输出值的增加，读数误差也伴随增大。例如在图4-1二进制码盘中，0与15的交界面上，由于工艺和装配的因素可能读成1111或0000以外，任何数字都可出现，即发生非单值性，这就产生读数出错。

克服这个缺点可采用循环二进制码（图4-2循环码码盘），又称格兰码。其计数变化时仅一个位发生变化，所以输出不会出错。循环码在结构上还有一个很大优点是最低位区段的长度比二进制码区段长度大一倍，即在同样条件下，循环码盘的精度比二进制码盘高一倍，或者在相同精度和工艺条件下，循环码盘直径要小一半。

图4-1 二进制的6bit接触编码器

1—激励轨道 2—最高位轨道 3—最低位轨道 4—此位置时输出为1101010

图4-2 循环码码盘

格兰码是无“权”值的码，不能直接代表实际数值，输入PLC后，须经译码PLC才能认识。但它与十进制数的关系为

式中，D为十进制数，n为具有“1”输出的最高位的位数，m为其次一位具有“1”输出的位数，q、s、……依次类推。

格兰码与二进制码也可相互转换。本书第1章已介绍过这个转换程序。

采用格兰码时，还需先进行转换，然后才能运算。

接触编码器的缺点是码盘与电刷之间存在接触摩擦，使用寿命短。可用另一种绝对式编码器。它是光学编码器，是依照光学和光电原理制成的器件。它由光源、码盘、光学系统及电路4部分组成（见图4-3）。

码盘是在不透明的基底上按二进制码制成透明区图案，相当于接触编码器的导电区和不导电区。光线通过码盘由光电元件转换成相应的电信号。

（2）增量编码器。它比绝对编码器使用码盘轨道少，这样，它的导线数、滑环数、读出器、电路和显示元件保持最低，使得系统可靠性增大，成本降低。因此现代系统多倾向采用增量编码器。增量编码器主要缺点是，它的测量仅仅相对于一个基准数，假如这个基准数有误差，整个系统受影响。另一个问题是当电源出现故障时，常常导致数据丢失，须使用辅助数据记忆技术，以防止丢失。

目前，这两种都有现成的产品。市场即可购得。按说明书接线及使用即可。

2.光栅式传感器

它是采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/mm。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图4-4）。

图4-3 光学编码器原理示意图

1—光源 2—透镜 3—窄缝 4—光电元件 5—编码盘

图4-4 光栅式传感器工作原理图

1—指示光栅 2、5—透镜 3—光源 4—标尺光栅 6—光电元件

标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。

这种传感器的优点是量程大和精度高。

3.欧姆龙PLC的旋转编码器

欧姆龙PLC公司是旋转编码器生产的大厂商。绝对的、相对的都有很多型号。型号不同，分辨率、产品结构、防护技术及接线方法也有所不同。当然，价格也相差很多。

欧姆龙公司还生产直线编码器，型号也较多。图4-5所示为直线编码器外观。

旋转编码器类型大体有3种：

（1）两相输入式：有A、B及Z三相，用编码器输入脉冲，可能的一种接线如图4-6所示。

图4-5 直线编码器

图4-6 编码器接线

当A相超前于B相90°为增计数，反之为减计数。这超前与滞后与旋转编码器的转动方向有关。这正反映了实际运动的情况。A、B相信号波形如图4-7所示。

从图4-7可知，一个脉冲周期，其输入的脉冲数为4。计算其转动量及最高频率时，一定要考虑到这一点。Z相为复位信号。编码器每旋转一圈发一个脉冲信号。如需硬件复位时，要用到它。

图4-7 A、B相信号波形

再如，另一方式为增方式。仅一个脉冲输入端。有脉冲入，计数值即增加。但一个脉冲周期仅增一个计数值。另外，也还有复位点，接入信号ON，可能使计数器复位。这种方式仅需用两个输入点。

（2）正、反脉冲控制的增、减输入式：它有正、反向脉冲输入点，正脉冲输入，则增计数；反向脉冲输入，则减计数。此外，也还有复位点，接入信号ON，也可使计数器复位。

（3）输入脉冲加计数方向控制输入式：它有一个脉冲输入点，还有一个计数方向控制的输入点。当方向控制ON，则增计数；方向控制OFF，则减计数。此外，也还有复位点，接入信号ON，也可使计数器复位。

以上3种脉冲信号，第3种最简单。用有中断功能的输入点，以至于用普通的输入点即可采集。只是其频率要受限制。

4.电压频率变换器

V（电压）F（频率）C与F（频率）V（电压）C变换器用于电压与频率信号互换。有不少生产厂商生产此产品。国内如青岛晶体管实验就也研制、生产此类产品。有QD系列及4602（1MHzVFC）、8107（500kHzVFC）、8106（高线性VFC）、4502（单电源VFC）等变换器多种型号。

由于频率信号抗干扰性好，便于远距离传输，可以调制在射频信号上进行无线传输，也可调制成光脉冲用光纤传送，不受电磁场影响。因此在一些非快速而又远距离的测量中，如果传感器输出是电压信号，愈来愈趋向于使用电压频率转换器，把传感器输出的信号转换成频率信号。

频率直流电压变换器设计的要求及技术指标是：

1）电压/频率变换器输入Vi为直流电压（控制信号），输出频率为f0的矩形脉冲。

2）Vi变化范围：0～10。

3）f0变化范围：0～10kHz。

4）转换精度＜1%。