1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

1.1. Construcción de codificadores.

Codificadores increméntales

La medida de posiciones lineales y angulares ha sido hasta el momento el único campo con abundantes desarrollos comerciales de sensores con salida digital, incluso antes de la era del microprocesador. Aun así, un grupo de estos sensores, los denominamos codificadores increméntales, es de tipo "casidigital", pero por razones de afinidad los trataremos aquí.

En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una prioridad que las diferencia, dispuesta de forma alternativa y equidistante, tal como se indica en la figura De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida si se detecta dicha prioridad cambiante con la posición mediante un dispositivo o cabezal de lectura fijo. La resolución, de un sensor angular, dada como número de impulsos de salida, es

donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.

La simplicidad y economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de inconvenientes que conviene señalar. En primer lugar, la información sobre la posición se pierde en cuanto falta la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interfaces fuertes. En segundo lugar, es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador; y en tercer lugar, no permite detectar el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales a los indicados en la figura 5.1. Las propiedades empleadas para la diferenciación de los sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas. La salida básica suele ser en forma de un tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.

Codificadores absolutos

Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario "0" o "1". Pero, a diferencia de los codificadores increméntales, hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición

Cada pista representa un bit de salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor peso. Los tipos de sensores más empleados en este caso son los óptico, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes. Hay conjuntos de fotosensores integrados que facilitan en gran manera la realización del codificador.

Estos codificadores tienen inmunidad intrínseca frente a las interrupciones e interferencias electromagnéticas, pero ello es a cuesta de unos cabezales de lectura que son mucho mas complejos que en los codificadores increméntales. Esto se debe a que hay tantos elementos de lectura como pistas y a la necesidad de que todos ellos estén bien alineados, de forma contraria, el código ofrecido a la salida puede estar formado por bits correspondiente a dos posiciones contiguas (en particular cuando se produzca la transición de una a otra). El código resultante puede corresponder a una posición muy distante de la real. Si, por ejemplo, se emplea el código binario natural, en un sistema con 8 bits las posiciones 3 y 4 vienen dadas por:

Posición 3 0 0 0 0 0 0 1 1

Posición 4 0 0 0 0 0 1 0 0

Si los elementos de lectura están un poco deslineados, por ejemplo si los dos primeros están un poco adelantados, al pasar de la posición 3 a la 4 puede que en un instante dado la lectura de salida sea 00 000 000.
Una forma de resolver este problema es empleando códigos binarios con distancia unidad en todas las posiciones, es decir, códigos en los que de una posición a la contigua cambie solo un bit. En el código binario natural, si hay N posiciones hay N/2 transiciones en las que cambia mas de un bit.
En el cuadro se presenta el paso de cada bit y el aspecto de las zonas codificadas de acuerdo con distintos códigos. El código continuo más empleado en codificadores es el Gray.
Su inconveniente es que si la información hay que mandarla a un ordenador, conviene convertir la salida a código binario. Si el objeto de la medida es sólo la presentación numérica de la posición, hay que convertir la salida a código BCD. Estas conversiones se obvian en el caso de tener el disco codificado directamente en el código de utilización final, pero entonces surge el problema de la ambigüedad. Si la información se va transmitir en un ambiente ruidoso, el código Gray no permite la detección de errores de transmisión. Otro método para resolver el problema de ambigüedad consiste en disponer un doble juego de cabezales de lectura desplazados entre sí una distancia determinada, empleando luego una regla de decisión para aceptar la lectura de uno u otro sensor para cada pista.

También se puede disponer una marca en el centro de cada sector, aceptando entonces la lectura del cabezal sólo cuando hay garantía de estar en zona que no es de transición entre las posiciones. Una memoria almacena la última lectura obtenida y se actualiza cuando hay un cambio válido.

La resolución que se obtiene con estos codificadores es de 6 a 21 bits en código Gray (8 a 12 es lo habitual), con diámetros de 50 a 175 mm para los codificadores angulares. El tamaño se indica mediante el diámetro en pulgadas y multiplicado por 10. Para aumentar la resolución, la opción más inmediata es aumentar el número de pistas codificadas, pero el inevitable aumento de diámetro e inercia limita esta solución. El empleo de un engranaje y otro codificador es una alternativa, aunque la resolución final siempre queda limitada por la obtenible por el primer disco. La señal eléctrica de salida suele ser TTL con colector abierto.

Para aumentar la resolución también se puede emplear el sistema de nonio expuesto para los codificadores increméntales. Para ello se añade una pista adicional, dispuesta en dirección radial, en la parte más externa del disco, tal como se muestra en la figura 5.10a.

La aplicación de los codificadores de posición son relativas a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución. Se emplea así en robótica, grúas, válvulas hidráulicas, mesas de dibujos automáticas (plotters), máquinas herramientas, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios, etc. También se pueden aplicar a la medida de magnitudes que se pueden convertir en un desplazamiento por medio de un sensor primario adecuado.

Por ejemplo, para medidas de nivel con flotador. Los codificadores absolutos son indicados en aplicaciones donde el elemento móvil permanece inactivo durante periodos de tiempo prolongados, por ejemplo antenas parabólicas, o cuando se mueve lentamente. También interesan cuando se desea ahorrar energía, por qué sólo hace falta alimentación cuando se desea información.

1.2. Sistemas de acondicionamiento codificadores.

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible. Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.