碼盤基礎知識
碼盤是什麼：編碼器裡最核心的那一片
拆開一臺光電編碼器，裡面有光源、碼盤、讀數頭和電路板。碼盤就是其中跟著軸轉、刻著精密圖形的那一片。本文講它裝在哪裡、起什麼作用，為什麼說它決定了編碼器的上限，以及圓盤、碼帶、光柵尺這幾種常見形態。
第一次拆開光電編碼器的人，常會有點意外：裡面沒有複雜的機構，一根軸、一塊電路板、一個外殼，中間夾著一片薄薄的圓片。這片圓片就是碼盤。它不起眼，卻是整臺編碼器裡真正帶著“刻度”的零件。
碼盤裝在哪裡
以常見的透射式光電編碼器為例，從下往上大致是：軸和軸承座、光源、碼盤、讀數頭、電路板、外殼，見圖1。
- 碼盤透過輪轂固定在軸上，跟著軸一起轉；
- 光源在碼盤一側，讀數頭在另一側，二者都固定不動；
- 電路板處理讀數頭送來的訊號，外殼負責防塵和遮擋外界雜光。
反射式結構把光源和接收器放在碼盤的同一側，但碼盤的角色不變。
碼盤做什麼
一句話：把“轉了多少角度”變成“光亮暗變化了多少次”。
碼盤上有一圈或幾圈精密圖形。增量道上是等間距的刻線，零位道上一圈只有一個視窗，絕對式碼盤上還有編碼的碼道。刻線不透光，縫隙透光。碼盤轉過一個節距，讀數頭處的光就亮暗變化一個週期。讀數頭裡的指示光柵和光電接收器把這種變化變成電訊號，電路再把它整形成脈衝，或者送去細分。
換句話說，編碼器裡所有關於位置的資訊，最初都來自碼盤上的圖形。其他零件負責照明、接收、處理和保護。
為什麼說碼盤決定了上限
電路可以放大、濾波、細分，但只能在碼盤給出的訊號上做文章。碼盤的幾項特性，直接對應編碼器的指標：
| 碼盤特性 | 對應的編碼器指標 |
|---|---|
| 線數 | 原始解析度：一個訊號週期對應多大角度 |
| 刻線位置準不準 | 精度：刻線的位置誤差會直接進入讀數 |
| 碼道與轉軸是否同心 | 偏心誤差：每轉一個週期的正弦誤差 |
| 線寬、邊緣、遮光 | 訊號幅值、對比度，以及能細分到多細 |
| 基材 | 抗衝擊、耐溫、熱脹冷縮 |
舉兩個算例。一片 2500 線的碼盤，方波四倍頻後每轉 10000 個計數，每個計數約 129.6″；電路不會數出碼盤上沒有的刻線。正餘弦細分可以把一個週期再分成上千份，但前提是訊號足夠乾淨；如果刻線位置本身就偏了幾角秒，分得再細，讀數里也帶著這幾角秒。
再看裝配：讀數半徑 20 mm 的碼盤，如果裝偏 5 μm，單讀數頭會帶來約 52″ 的誤差（Δθ ≈ e ÷ r）。這也是碼盤上要做對心圈的原因。
常見形態：圓盤、碼帶和光柵尺
同一個原理，可以做成不同形狀，見圖2：
- 圓盤碼盤：測轉角，用在伺服馬達、轉檯、機器人關節等處。
- 碼帶：柔性長條，測直線位移，印表機的字車就常用碼帶。
- 光柵尺：刻線做在直尺上，數控機床的全閉環控制會在馬達編碼器之外再加光柵尺。
基材也有幾種。玻璃碼盤的刻線一般是鍍在玻璃上的鉻，用微影和蝕刻成形，線可以做得細、做得多；金屬碼盤多為不鏽鋼基材、反射式，抗衝擊和振動；PC 碼盤輕、不易碎，適合大批次低成本的場合。
小結
碼盤是編碼器裡刻著“刻度”的那個零件，位置資訊全部從它而來。線數決定原始解析度，刻線精度和同心度決定精度的底子，線條質量決定訊號好壞。評估一臺編碼器，最後都繞不開這一片碼盤。
延伸閱讀：ENC7 編碼器碼盤生產廠家（中文首頁） · 碼盤技術文庫
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