一组激励信号ui（t）（i=0，1，2，……，7）通过一组电容ci（x）（i=0，1，2，……，7）和定值电容Cf耦合后，得到传感器的输出信号u0（x，t）。不考虑激励信号的输出阻抗，并作归一化处理，可得：

    式中，k为一常系数，正负由动栅和静栅的相对运动方向决定。

    从公式（5）可知，输出信号u0（x，t）的电位相与容栅传感器的位移有一一对应关系（在一个周期内是单值函数），调相信号是一个周期信号，动栅和静栅每相对运动一组发射极的宽度，调相信号变化一个周期。根据这个原理可以通过鉴相器鉴别调相信号的相位变化，从而推算出动栅和静栅的相对位移。同时还可以通过可逆计数器记录输出信号周期变化数，实现长距离的测量。接收极上的输出信号并不能直接送鉴相电路使用，在这之前还需要经过解调、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送显示。图4为鉴相型容栅传感器的测量原理图。

3 容栅旋转编码器的数据传递

    容栅旋转编码器的核心部件是容栅集成芯片，它负责把传感器的位置信息转化为数字信号输出。容栅芯片有4根引出线，分别为+1.5V、CLK、DATA和0V线。其中+1.5V和0V线为电源线和地线，CLK和DATA线为同步时钟信号线和数据线。

    CLK信号为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54μs的高电平，表示数据即将开始传送；接下来是两段各有24个宽度为13μs的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110μs的高电平作为间隔；最后是75μs的高电平，以示数据传送结束。具体波形如图5。容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状态下，周期间隔为250ms，在快速状态时，为20ms。

    DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。在数据采集时，容栅芯片在CLK信号窄脉冲的下降沿对DATA信号进行采样，先后采样两组24位数据。一组为绝对数据，另一组为相对数据。绝对数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号控制。

    三、容栅旋转编码器的关键技术

    容栅编码器有功耗低、性价比高等优点。但其工作容易受到外界的干扰，影响工作稳定性。所以在设计容栅编码器时，需要一些特殊措施来抵抗干扰，提高稳定性。

    环境对容栅编码器的工作影响很大，特别是湿度。电容传感器主要是通过两极板之间的电容量变化来反映相应的被测量变化。在大湿度的情况下，会改变两极板间的介电常数影响电容值，同时也使容栅电路的漏电流明显增大，使容栅编码器工作的稳定性将受到削弱。因此，建立一个良好的容栅工作小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否可靠工作非常重要。

    容栅编码器是靠电容极板传递信号，因此保证极板之间的电场稳定是容栅位移信号能够正常无误传递的前提。由于容栅编码器经常用于工业环境，其现场工作环境很差，常伴有大功率的电磁干扰，将容栅核心部件全部密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅暴露于环境中，这样既有效的进行了电磁屏蔽，同时隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对良好的环境中工作。

    容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有效的接地，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。实际中，动栅和静栅相互独立，没有任何连线，这就需要通过外界搭桥，一般情况下，编码器的外壳就起这样的作用。动栅上集成的容栅芯片的正极通常和动栅屏蔽极相连，这就有可能由于后续电路接地引起电池短路。因此在进行电路设计时，必须考虑这个特点，在设计上采取针对性措施，对电路进行隔离，来解决因后续电路接地带来的电池短路问题。

    容栅编码器是一种准绝对式传感器。在平时全靠内部电池维持其正常工作，因此，电池问题不容忽视。经过实际操作证明在电池电压降低时，将产生许多不可预料的情况。采用超级电容和电池并联工作，可以有效的降低电池的功耗，延长容栅编码器的工作时间。同时，通过设计电路实测电池电压报警，尽量避免由于电池电量不足影响编码器正常工作。