正交編碼器技術全解析：從原理到實戰調試問題
發布日期:2026-03-10
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不久前我偶然回顧自己早期撰寫關于改造鼠標編碼器(mouse encoder)的文章，意外促成了一個非常好的機會，讓我得以重新審視正交編碼器(quadrature encoder)。因此，這一次我將以更清晰的視角，針對其信號動態與實際應用進行更具目標性的探究。讓我們重新出發，直接深入探討正交信號的奧秘吧！
首先從一點理論基礎開始。所謂的正交信號(quadrature signal)是指一對正弦波形——通常標記為I (同相)與Q (正交)——它們擁有相同的頻率，但在相位上偏移了90°。這兩個彼此正交的信號互不干擾，共同構成了從通信到控制系統等各種系統中復雜信號表示的基礎。
圖1：此圖顯示正交編碼器的理想輸出，并重點展示了相位關系。
在正交編碼器的語境中，該術語描述的是兩個方波信號，分別稱為A通道與B通道，它們同樣在相位上相差90°。這種相位差使系統能夠判斷旋轉方向，計算離散步長或脈沖以進行精確的位置追蹤，并可通過邊緣檢測技術進一步提升分辨率。
如同許多工程師所熟知，編碼器是運動控制系統中的關鍵組件，通常可分為兩大類：增量式(incremental)與絕對式(absolute)。在增量式編碼器中，正交編碼器是一種常見配置，通過兩個相位偏移的輸出通道，同時檢測方向與位置，因此特別適合用于相對運動的追蹤。
標準的增量式編碼器會隨著軸的旋轉產生脈沖，提供運動相關信息；然而，一旦電力中斷，位置參考即會遺失。相較之下，絕對式編碼器會為每一個軸位置分配唯一的數字碼，即使在斷電后仍能保留精確的位置信息，使其成為高可靠度與高精度應用的理想選擇。
需要特別說明的是，雖然正交編碼器經常與增量式與絕對式編碼器并列提及，但在技術分類上，它實際上屬于增量式編碼器的一個子類型，而非獨立的第三種類別。
差點忘了提：ABZ增量式編碼器中的Z輸出，在精密定位應用中扮演著極為關鍵的角色。與持續產生脈沖、用以指示運動與方向的A、B通道不同，Z通道——亦稱為索引（index）或標記脈沖（marker pulse）——每旋轉一整圈只會觸發一次。
這個單一脈沖可作為參考點，在系統初始化或校準時特別實用，使系統能夠準確識別原點（home）或零點位置。換言之，索引脈沖讓系統得以回到已知位置并計算完整轉數，對于多圈應用或斷電后的復位動作尤為方便。
圖2：示例圖描繪編碼器信號，并清楚標示索引脈沖。
實操演練：真實世界中的正交旋轉編碼器
正交旋轉編碼器通過兩個具有相位偏移的信號來檢測旋轉與方向，廣泛應用于電機、旋鈕與各類機械設備中，以實現精細控制。以下所示為我近期在某個項目中，使用一對光學傳感器所設計的正交編碼器電路。
圖3：電路圖顯示了一個采用光學傳感器的簡單正交編碼器配置。
在繼續之前，不妨先花點時間回顧幾個基本要點。
旋轉編碼器是一種機電裝置，用于測量電機軸的旋轉運動，或旋鈕與刻度盤的位置。它通常采用正交編碼這種增量式信號技術，同時傳達位置變化與旋轉方向。相對地，線性編碼器則用于測量沿直線路徑的位移，常見于對線性運動精度要求極高的應用。
正交編碼器具有兩個輸出通道，通常標記為A與B。通過監測脈沖數量并判斷哪一個通道領先，編碼器接口即可推算旋轉距離與方向。
許多編碼器還包含第三個輸出通道，即索引通道(或Z通道)，其特性是在每完成一整圈旋轉時輸出一個脈沖。這個脈沖作為基準點，使系統除了能追蹤相對運動外，也能辨識編碼器的絕對位置。
在正交編碼器中，A與B通道的每一個完整周期都會產生相位相差90°的方波信號。此周期包含四個明確的狀態轉換：A上升、B上升、A下降與B下降，借此達成更高的分辨率。旋轉方向則由通道之間的相位關系決定：當A通道領先B通道時，通常代表順時針旋轉；反之，若B通道領先A，則表示逆時針方向。
為了正確解讀正交編碼器產生的脈沖數據，必須將其連接至編碼器接口。該接口會將輸出信號轉換為計數值或周期數，并依據編碼器的每轉周期數(cycles per revolution；CPR)換算為旋轉圈數。部分制造商還會指定每轉脈沖數(pulses per revolution；PPR)，通常指單一通道在一整圈旋轉中所產生的電脈沖數，其數值可能依所采用的解碼方式而與CPR不同。
圖4：此圖對正交編碼的基本概念進行簡明總結。
以上涵蓋了主要的概念重點，現在，讓我們回到電路本身。
在前述的正交旋轉編碼器設計中，透射式(對射式)傳感器與經精密設計的軸編碼輪協同工作，以檢測旋轉運動。當所有接線完成且調校妥當后，該正交旋轉編碼器即可投入使用，輸出兩個具固定相位差的信號，用于方向與速度的判定。
在實際應用中，大多數正交編碼器依賴三種傳感技術中的一個：光學、磁性或電容式。其中，光學編碼器最為常見，其工作方式是通過光源與光電檢測器陣列，檢測光線是否穿過或反射編碼盤的情況。
關于自制編碼輪，有一點必須特別提醒：精度決定一切。狹縫的間距與寬度必須保持一致，并與傳感器的解析能力相匹配；此外，對準同樣不可忽視。傳感器與光束路徑的精確定位，對于產生干凈且可靠的信號至關重要。
旋轉的背后
至此，我們再次回到正交編碼器這個主題——這一次，帶著更明確的目的，也希望能提供更深入的理解。無論您是初次接觸，或早已經深入研究信號解碼，都不難發現：這些看似簡單的組件，實際上蘊含著出乎意料的復雜性。
從脈沖計數與方向判斷，到噪聲環境下的各種異常行為，其中有很多微妙之處常常被忽視。老實說，我們又有多少次真正考慮過防抖邏輯或相移誤差，直到它們在調試過程中突然出現并擾亂一切呢？
這正是工程的迷人之處：挖得越深，揭露的層次就越多。
如果這篇回顧激起了你的好奇心，或留下的問題多于答案，那就讓這股動能延續下去。歡迎分享你的想法、提出最棘手的問題，或建議下一個值得深入探索的主題。無論是硬件上的怪現象、解碼策略，還是現實世界中的實際經驗——我們都能從彼此的經驗中學習。
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