Главная / Полезная информация / Оптический и магнитный энкодер

Как устроены оптический и магнитный энкодеры: инкрементальные и абсолютные датчики, сигналы A, B, Z — справочник 2026 года

Опубликовано: 2026-10-25 · Интермера

Энкодер, или датчик угла поворота, превращает поворот вала в электрические сигналы, по которым контроллер узнаёт угол, направление и скорость. В оптическом энкодере свет проходит через щели или растр вращающегося диска и попадает на фотоприёмник. В магнитном энкодере датчик Холла или магниторезистивный датчик следит за полюсами магнита на валу. Оба бывают инкрементальными, с импульсами A и B со сдвигом 90° и меткой Z, и абсолютными, с собственным кодом для каждого положения. Это справочник на октябрь 2026 года: как устроены оба типа, чем они отличаются, что значат PPR и режим ×4 и как проверить сигналы энкодера осциллографом.

Что такое энкодер и где он стоит

Название происходит от английского encoder — кодирующее устройство. По-русски его называют датчиком угла поворота (ДУП): он преобразует угол поворота вала в цифровые или аналоговые сигналы. Линейный энкодер делает то же для движения по прямой.

Где применяют энкодеры:

• сервоприводы и промышленная автоматика, станки с ЧПУ, роботы;
• бесщёточные двигатели: энкодер сообщает сервоприводу угол ротора, чтобы тот вовремя переключал обмотки;
• антенны радаров, объективы фотокамер, координатно-измерительные машины;
• колёсико мыши, ручки громкости и регуляторы на лабораторных блоках питания.

Какие бывают энкодеры

• По способу выдачи информации: инкрементальные (накапливающие) выдают импульсы при движении, абсолютные (позиционные) — код текущего положения.
• По принципу действия: оптические, магнитные, механические (контактные), а также резистивные, индуктивные и ёмкостные.
• По углу поворота: с ограниченным и с неограниченным диапазоном работы.
• По числу оборотов: однооборотные и многооборотные, которые запоминают ещё и число полных оборотов.

Как работает оптический энкодер

На валу закреплён диск из стекла, пластика или металла с прозрачными и непрозрачными участками или щелями. С одной стороны диска стоит источник света, с другой — фотодиод или линейка фотоприёмников. При вращении диск модулирует световой поток, и фотоприёмник выдаёт импульсы. Бывают и отражательные версии, где свет отражается от рисок на диске.

• Во многих конструкциях растр диска движется относительно неподвижного растра, и фотодатчик отмечает каждый переход.
• В абсолютном оптическом энкодере на диске несколько концентрических дорожек, и каждому положению вала соответствует свой цифровой код.
• Оптика — одна из самых распространённых технологий. Её выбирают, когда нужны высокая скорость и высокая точность.
• Слабое место — пыль: оптические энкодеры к ней очень чувствительны.

Как работает магнитный энкодер

Магнитный энкодер регистрирует прохождение магнитных полюсов вращающегося магнита рядом с чувствительным элементом и превращает это в код или сигнал. Чувствительный элемент — обычно магниторезистивный датчик или датчик Холла. Как датчик Холла измеряет магнитное поле и почему ему не нужен механический контакт, мы подробно разобрали в статье об эффекте Холла и датчиках Холла.

Конструкций две:

• Осевая (on-axis). На торце вала закреплён двухполюсный неодимовый магнит, датчик стоит напротив. Такой энкодер подходит к двигателям, у которых из корпуса выходит только один конец вала. Точность — от нескольких градусов до долей градуса, разрешение — от 1° до 0,09°, то есть до 4 000 отсчётов на оборот. Плохо сделанная внутренняя интерполяция даёт дрожание выхода, его убирают усреднением отсчётов.
• Внеосевая (off-axis). На металлической ступице закреплено кольцо из ферритового магнита на резиновой связке, а микросхему датчика программируют под ширину полюсов. Это гибко и недорого для нестандартных конструкций.

Главное преимущество магнитного энкодера — стойкость к условиям. Он работает там, где оптический откажет: в пыли и грязи. Кроме того, магнитные энкодеры мало чувствительны к вибрации, небольшому перекосу и ударам.

Оптический или магнитный энкодер: сравнение

Механические, или контактные, энкодеры дешевле обоих, но их контакты изнашиваются и дребезжат, поэтому их ставят в ручные органы управления: ручки громкости, регуляторы на приборах, органы управления цифровых мультиметров. У оптических и магнитных энкодеров дребезга нет.

Инкрементальный энкодер: сигналы A, B и Z

Инкрементальный энкодер — самый распространённый тип. У него два основных выхода, A и B. При вращении с постоянной скоростью на них прямоугольные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 90°. Такую пару называют квадратурными сигналами. Что из них можно узнать:

• Направление. При вращении в одну сторону B отстаёт от A на 90°, в другую — опережает. Какое направление считается прямым, зависит от конструкции.
• Скорость. Частота импульсов пропорциональна скорости вращения. Когда вал стоит, на выходах постоянные уровни.
• Пройденный путь. Число импульсов показывает, на сколько повернулся вал.
• Опорное положение. Выход Z, или индекс, даёт один импульс за оборот, всегда в одном и том же угле. У некоторых энкодеров есть и выход аварии, который сообщает о внутренней неисправности, например подшипника или датчика.

Инкрементальный энкодер не знает абсолютного положения. Сразу после включения положение вала неизвестно, поэтому систему сначала приводят в исходную точку или проходят через нулевую метку. Если импульсы по какой-то причине пропали, ошибка копится до следующего прохода нулевой метки.

Разрешение: PPR, CPR и режим ×4

Разрешение инкрементального энкодера указывают числом импульсов на оборот (PPR, pulses per revolution) или периодов на оборот (CPR, cycles per revolution). У линейных энкодеров — числом импульсов на отрезок пути, например 1 000 импульсов на миллиметр.

За один период сигнала A приходится четыре фронта: подъём A, подъём B, спад A и спад B. Поэтому декодер может считать каждый фронт, и разрешение измерения становится вчетверо выше разрешения энкодера. Это режим ×4, бывают также ×1 и ×2. Энкодер на 1 000 импульсов на оборот в режиме ×4 даёт 4 000 отсчётов, то есть 0,09° на отсчёт. Линейный энкодер на 1 000 импульсов на миллиметр даёт период 1 мкм и разрешение измерения 250 нм. На рынке есть инкрементальные энкодеры на 10 000 отсчётов на оборот и больше.

Как по сигналу узнать скорость

Скорость считают по частоте импульсов или по их периоду. Если энкодер выдаёт 1 000 импульсов на оборот, а на выходе A частота 50 кГц, вал делает 50 оборотов в секунду, то есть 3 000 об/мин. Частоту удобно измерить частотомером: например, универсальные частотомеры 53220A и 53230A измеряют частоту до 350 МГц по двум каналам и временные интервалы с разрешением до 20 пс.

Абсолютный энкодер и код Грея

Абсолютный энкодер выдаёт уникальный код для каждого положения вала. Положение известно сразу после включения питания и сохраняется после его отключения, поэтому системе не нужно возвращаться в исходную точку.

У энкодера с n дорожками 2ⁿ различимых положений: три дорожки дают 8 положений. Обычный двоичный код здесь опасен. Контакты или фотоприёмники никогда не переключаются строго одновременно, и при переходе, например, из сектора 3 в сектор 4 энкодер на мгновение может выдать коды секторов 7 и 6. Контроллер решит, что вал резко прыгнул вперёд и назад.

Поэтому на дисках абсолютных энкодеров используют код Грея. В нём два соседних значения отличаются только одним разрядом, и ложных промежуточных кодов при переходе не бывает. Это верно и для перехода с максимума на ноль: у кругового датчика он тоже меняет только один разряд.

Как абсолютный энкодер передаёт данные:

• параллельный двоичный код или аналоговый сигнал тока или напряжения;
• последовательные интерфейсы SSI, BiSS, EnDat, Hiperface;
• промышленные сети DeviceNet, Modbus, Profibus, CANopen и EtherCAT поверх физического уровня Ethernet, RS-422 или RS-485.

Многооборотный абсолютный энкодер считает ещё и полные обороты: с помощью редуктора с кодовыми колёсами, батареи или датчика Виганда, который с 2007 года позволяет питать счётчик оборотов энергией самого вращения вала.

Выходы энкодера: открытый коллектор, push-pull и RS-422

• Открытый коллектор (NPN-транзистор или открытый сток MOSFET). Работает в широком диапазоне напряжений, но сам выдать высокий уровень не может, поэтому нужен подтягивающий резистор к плюсу питания. Его ставят ближе к входу приёмника. Сопротивление нагрузки и ёмкость линии образуют фильтр нижних частот: фронты затягиваются, и это ограничивает максимальную частоту.
• Push-pull, например TTL. Подходит, когда энкодер и приёмник рядом и питаются от общего источника: на плате или по короткому экранированному кабелю.
• Дифференциальный RS-422. На каждый сигнал — пара проводов, A и /A, с противоположными уровнями. Выбирают для высоких частот, длинных линий, сильных помех и там, где приёмник должен замечать обрыв кабеля: станки с ЧПУ, роботы, КИМ.

Как проверить энкодер осциллографом

Форму сигналов, фазу и помехи видно только на осциллографе. Порядок проверки инкрементального энкодера:

1. Подайте на энкодер штатное напряжение питания. У выхода с открытым коллектором проверьте, что есть подтягивающий резистор: без него высокого уровня не будет.
2. Подключите A и B к двум каналам осциллографа с общей землёй и медленно вращайте вал. Должны появиться прямоугольные импульсы, сдвинутые примерно на четверть периода.
3. Поверните вал в обратную сторону: сдвиг между A и B должен поменять знак.
4. Сравните форму с паспортом. Например, при симметрии 180° ±25° ширина импульса должна быть от 155° до 205°, а при фазе 90° ±20° сдвиг между A и B — от 70° до 110°.
5. Проверьте Z: один импульс за оборот. Удобно запускать развёртку по Z и смотреть, где в этот момент находятся A и B.
6. У выхода RS-422 проверьте пары: A и /A, B и /B должны быть в противофазе. Если в паре пропал один сигнал, проверьте кабель: это может быть обрыв жилы.

Если A и B меняются одновременно, декодер не может понять, на сколько и куда повернулся вал, и теряет счёт. Причины — слишком высокая скорость для приёмника или помехи на линии. Импульсные выбросы от двигателя видны на осциллограмме как короткие пики на фронтах и полках.

Для энкодеров с несколькими сигналами удобны осциллографы смешанных сигналов. Например, у осциллографов InfiniiVision 2000X в моделях MSO к двум или четырём аналоговым каналам добавлены восемь цифровых и функции логического анализатора: A, B и Z можно записать одновременно, а аналоговым каналом посмотреть форму фронта.

Итог

• Энкодер — датчик угла поворота: он превращает поворот вала в сигналы, по которым определяют угол, направление и скорость.
• Оптический энкодер читает растр диска светом; он точный и быстрый, но боится пыли. Магнитный читает полюса магнита датчиком Холла или магниторезистором и выдерживает пыль, вибрацию и удары.
• Инкрементальный энкодер выдаёт квадратурные сигналы A и B со сдвигом 90° и индекс Z; абсолютное положение он не хранит.
• Разрешение — PPR или CPR; в режиме ×4 декодер считает все четыре фронта, и 1 000 импульсов на оборот дают 4 000 отсчётов.
• Абсолютный энкодер выдаёт код каждого положения, обычно в коде Грея, и знает положение сразу после включения.
• Выходы — открытый коллектор, push-pull или дифференциальный RS-422; проверяют их осциллографом по форме, фазе и помехам.