«Вскрытие» энкодера и потенциометра: в чем разница «крутилок»?

Многие из нас регулярно сталкиваются с этими устройствами.
Крутишь ручку — меняется громкость, пролистываешь меню, настраиваешь яркость.
Но задумывались ли вы, что скрывается внутри этих «крутилок»? Речь
идет о переменных резисторах (потенциометрах) и энкодерах — двух элементах
управления, которые, несмотря на схожие задачи, работают совершенно по-разному.
Разберемся, что это такое, в чем их принципиальные отличия и где какое
устройство уместнее использовать.

Энкодер vs. Потенциометр: в чем разница?

Оба этих элемента управления широко применяются для
регулировки параметров в различных устройствах. Вспомните регулятор громкости в
старом аналоговом усилителе или настройку параметров в меню современного
осциллографа. Но на этом сходство заканчивается. Главное — понимать, как они
функционируют на принципиально разном уровне: аналоговом и цифровом.

Потенциометр (он же переменный резистор) — это аналоговое
устройство, представляющее собой резистивный делитель напряжения. Внутри него
находится резистивная дорожка, выполненная из графита или другого материала, по
которой скользит контакт (ползунок). Меняя положение контакта, мы изменяем
сопротивление между центральным и крайними выводами, тем самым регулируя
выходное напряжение. В случае с регулятором громкости, потенциометр напрямую
уменьшает амплитуду звукового сигнала.

Потенциометры часто используются в старых аналоговых
аудио-устройствах, регуляторах освещения (диммерах) и других приложениях, где
требуется непосредственный аналоговый контроль. Их выбор обусловлен простотой
конструкции и отсутствием необходимости в дополнительной обработке сигнала.

Энкодер — устройство цифровое. Он не меняет напряжение
напрямую, а генерирует цифровой сигнал в виде последовательности импульсов,
которые указывают на факт вращения и его направление. Эту информацию считывает
микроконтроллер, который, в свою очередь, отправляет команды на другие
компоненты системы (например, на цифровой потенциометр или усилитель D-класса)
для изменения параметров.

Энкодеры широко используются в современных электронных
устройствах, таких как 3D-принтеры, роботы, медицинское оборудование и
промышленные станки. Они позволяют реализовать сложные алгоритмы управления и
обеспечивают более точную и стабильную работу системы.

Как устроен энкодер?

Существует несколько типов энкодеров: механические,
оптические и магнитные. Принцип у всех один — генерировать электрический сигнал
при вращении ручки.

Рассмотрим наиболее распространенный механический
инкрементальный энкодер. Именно такой чаще всего встречается в бытовой технике.

Внутри у него обычно находится:

• Ручка и диск со скользящими контактами: на диске расположены
  контакты, которые замыкаются при вращении.

• Неподвижная контактная группа: она состоит из контактов,
  которые взаимодействуют со скользящими контактами на диске. Характерные
  «щелчки» при вращении обеспечиваются системой с шариком и
  подпружиненной пластиной.

• Тактовая кнопка (опционально): часто энкодеры имеют
  встроенную кнопку, которая прожимается валом ручки.

При вращении ручки скользящие контакты поочередно замыкают
контакты неподвижной группы. Это создает последовательность импульсов, которую
интерпретирует микроконтроллер.

Инкрементальный или абсолютный энкодер

Инкрементальный энкодер, о котором мы говорили выше,
сообщает только о факте вращения и направлении. Он не знает, в каком положении
находится его вал. Это может быть проблемой, если нам нужно точно знать текущее
положение, например, после выключения и включения устройства.

Для таких задач существуют абсолютные энкодеры. Они
используют специальный диск с уникальными метками, соответствующими каждому
положению вала. Вместо последовательности импульсов, абсолютный энкодер выдает
двоичный код, однозначно определяющий угол поворота.

Самый распространенный тип абсолютного энкодера —
оптический. Он использует прозрачный диск с узорами в виде секторов. Светодиоды
просвечивают диск, а фотодетекторы считывают проходящий свет.

Другой тип — магнитный энкодер, который использует магнитное
поле и датчики для определения положения. Магнитные энкодеры становятся все
более популярными благодаря своей надежности и устойчивости к загрязнениям.

Абсолютные энкодеры сложнее и дороже инкрементальных, но и
задачи у них другие. Они незаменимы в сервоприводах, станках с ЧПУ,
робототехнике и других системах, где требуется высокая точность
позиционирования.

Примеры использования: как выбор влияет на продукт

Чтобы лучше понять разницу, рассмотрим несколько конкретных
примеров:

• Регулировка громкости. В старом аналоговом радиоприемнике
  потенциометр использовался для регулировки громкости, так как это простое и
  дешевое решение. В современных цифровых радиоприемниках энкодер часто
  используется для настройки частоты, так как он позволяет точно перемещаться по
  шкале частот и поддерживает функцию запоминания настроек (пресетов).

• Промышленная робототехника. В промышленных роботах
  используются абсолютные энкодеры для точного позиционирования манипулятора.
  Использование потенциометров в данной области было бы неприемлемо из-за низкой
  точности и подверженности износу.

• Панель управления автомобилем. Для регулировки яркости
  подсветки приборов часто используют потенциометр, позволяющий плавно
  настраивать комфортный уровень освещения. Для управления мультимедийной
  системой и навигации по меню удобнее использовать энкодер с тактовой кнопкой,
  предлагающий дискретные шаги и возможность подтверждения выбора.

А что же «круче»: энкодер или потенциометр?

Однозначного ответа нет. Все зависит от конкретной задачи

Преимущества энкодера:

• Надежность: цифровой сигнал энкодера менее подвержен
  помехам, чем аналоговый сигнал потенциометра.

• Бесконечное вращение: энкодер можно вращать бесконечно, в
  отличие от потенциометра, угол поворота которого ограничен.

• Удобство навигации: щелчки при вращении облегчают навигацию
  по меню и точную настройку параметров.

• Разнообразие типов: существуют различные типы энкодеров
  (оптические, магнитные, механические) для разных применений.

• Долговечность: отсутствие прямого контакта в оптических и
  магнитных энкодерах обеспечивает более длительный срок службы.

Недостатки энкодера:

• Цифровой интерфейс: для работы энкодера необходим
  микроконтроллер или другая схема, интерпретирующая его сигналы.

• Невозможность определения положения вала (для
  инкрементальных энкодеров): нужно использовать абсолютный энкодер, что
  удорожает систему.

• Сложность: более сложная конструкция по сравнению с
  потенциометром.

Преимущества потенциометра:

• Простота: потенциометр — аналоговое устройство, которое
  может работать без микроконтроллера.

• Непосредственный контроль: потенциометр напрямую изменяет
  напряжение или ток, что может быть полезно в некоторых аналоговых схемах.

• Дешевизна: потенциометры, как правило, дешевле энкодеров.

• Легкость интеграции: простота подключения в аналоговых
  схемах.

Недостатки потенциометра:

• Подверженность помехам: аналоговый сигнал потенциометра
  может быть искажен помехами.

• Ограниченный угол поворота: нельзя вращать ручку
  потенциометра на 360 градусов.

• Износ: резистивная дорожка потенциометра со временем
  изнашивается.

• Низкая точность: сложно добиться высокой точности и
  повторяемости.

Энкодер и потенциометр — это два разных инструмента, каждый
из которых хорош для своих задач. Там, где нужна надежность, точность,
возможность бесконечного вращения и цифровое управление — применяют энкодер.
Там, где нужна простота, непосредственный аналоговый контроль и низкая
стоимость — потенциометр.

А что вы думаете по этому поводу? Какие устройства
предпочитаете использовать в своих проектах и почему?