Tous les disques de codeur rotatif ne sont pas un empilement bien rangé d’anneaux concentriques. Certains portent une bande unique et irrégulière qui évoque plutôt un code-barres ; d’autres présentent un motif extrêmement fin au bord et quelque chose de bien plus grossier vers l’intérieur. Avec des anneaux concentriques, on peut au moins deviner la lecture en repérant quelle piste est claire, mais ces disques-là ne se laissent guère déchiffrer à l’œil nu.
Ce qu’ils ont en commun, c’est une motivation. Ajouter une piste par bit représente parfaitement la position absolue, mais le nombre de pistes se répercute directement sur la largeur nécessaire du disque et sur la difficulté de le fabriquer. Les trois styles de cette page cherchent à obtenir la position absolue, ou une résolution élevée, sans ajouter de pistes ou en mêlant des motifs qui accomplissent des tâches différentes.
Si vous préférez commencer par les styles multipistes — binaire, Gray et incrémental — passez d’abord par (1) Codes multipistes. Cette page explique aussi les conventions suivies par ces figures : le blanc vaut 1, le noir vaut 0 et la piste la plus extérieure est le LSB.
| Question | Figure qui y répond |
|---|---|
| Comment une seule piste peut-elle porter la position absolue ? | Disques à piste unique en code PRBS (figure 1) |
| Que fait un disque lorsqu’un motif fin et un motif grossier cohabitent ? | Disques hybrides : absolu grossier plus cycle fin (figure 2) |
| Qu’apprend-on en superposant deux pistes de périodes légèrement différentes ? | Disques vernier : une différence de période (figure 3) |
Tous les disques ci-dessous se manipulent à la souris. Ces trois-là révèlent bien plus en mouvement qu’à l’arrêt : observez le clignotement des voyants plutôt que d’étudier le motif figé.
Disques à piste unique en code PRBS (figure 1)
Le principe du codage
Au lieu d’ajouter une piste concentrique par bit, ce modèle inscrit la position absolue dans une unique séquence binaire irrégulière qui fait le tour de la circonférence. La séquence est pseudo-aléatoire (PRBS) et, lorsqu’on en choisit une de longueur maximale, on parle de séquence M.
La propriété qui fait tout fonctionner est celle-ci : toute fenêtre de n bits consécutifs est unique, où que vous la découpiez sur l’anneau. Il suffit de lire n bits contigus pour qu’il n’existe qu’un seul endroit de la circonférence d’où ils puissent provenir. Une seule piste suffit, ce qui permet un disque étroit, et le motif obtenu ressemble beaucoup à un code-barres replié en anneau.
Reste à savoir comment lire une fenêtre. Un capteur qui observe un seul point sait uniquement si ce point est clair ou sombre. Comme fixer la position exige n bits consécutifs simultanément, la lecture doit soit disposer une tête à n éléments alignés, soit prélever un bit à la fois pendant que le disque avance et conserver les n derniers dans un registre à décalage.
C’est pourquoi le matériel réel ajoute généralement une piste de synchronisation qui maintient l’échantillonnage aligné. Voyez-y un échange : le disque descend à une seule piste et, en contrepartie, la tête de lecture se complique.
Dans la figure de cette page
Il y a une seule piste de code et aucune bande de synchronisation n’est dessinée. Une séquence M de période 2n−1 fait le tour de la circonférence, et la tête fixe, à partir de x0, en lit un segment consécutif en guise de fenêtre.
Les voyants montrent les bits contenus dans cette fenêtre, dans l’ordre. Ce ne sont pas des bits pondérés : il n’y a donc ni MSB ni LSB parmi eux. Ce sens diffère de celui des figures absolues de la partie (1), aussi ne les lisez pas de la même façon. Le curseur de résolution fixe le nombre de bits de la fenêtre, qui est aussi l’exposant déterminant la période.
Lire la configuration des voyants comme un nombre décimal ne donne rien qui corresponde à un angle. Sur un code à piste unique, les voyants indiquent les bits présents à l’instant dans la fenêtre, pas une valeur de position. Transformer cette configuration en position demande une étape distincte qui la confronte à la séquence.
Disques hybrides : absolu grossier plus cycle fin (figure 2)
Le principe du codage
Cette combinaison revient constamment dans les codeurs absolus à haute résolution. Un code absolu grossier — quelques bits de piste, ou une bande de type code-barres — établit dans quel intervalle se trouve l’arbre, et une bande périodique fine, généralement près du bord, est interpolée pour préciser la position à l’intérieur de cet intervalle.
Répartir le travail en deux étages, c’est tout l’enjeu. La position absolue et la résolution étant confiées à des pistes distinctes, on atteint une position fine sans gonfler le nombre de bits du code absolu. Sur les photographies de disques réels, cette famille paraît souvent chargée : quelque chose de fin à l’extérieur et quelque chose de grossier plus au centre ou sur une bande à part.
Dans la figure de cette page
Le dessin place une bande périodique fine de clair et de sombre à l’extérieur, avec un code Gray multipiste grossier à l’intérieur. Les voyants affichent les bits grossiers, du MSB au LSB, suivis d’un voyant “Fin” pour la bande périodique.
Ce que la figure ne fait pas, c’est l’interpolation elle-même. Elle montre le capteur sous la bande fine passant de 0 à 1, et s’arrête avant de calculer à partir de là un angle à l’intérieur de l’intervalle. Prenez-la comme un moyen d’observer la répartition des rôles : le code grossier fixe l’intervalle pendant que le cycle fin le survole beaucoup plus vite.
Disques vernier : une différence de période (figure 3)
Le principe du codage
Empruntant l’idée du vernier d’un pied à coulisse, ce modèle superpose des pistes périodiques dont les périodes diffèrent d’exactement un cycle. Le décalage entre la piste principale et la piste secondaire fournit une information absolue grossière : la position peut donc être cernée à partir de deux signaux périodiques plutôt qu’avec un empilement de pistes absolues numériques.
L’objectif est d’économiser des pistes. Au lieu de consacrer une piste à chaque bit de position absolue, c’est le décalage entre deux pistes périodiques qui fait le travail, ce qui maintient une résolution élevée dans un encombrement réduit.
Dans la figure de cette page
La bande extérieure porte la période principale et la bande intérieure la période secondaire, avec exactement un cycle de moins que la principale. Il n’y a que deux voyants, “Princ.” et “Sec.”, et le léger écart entre leurs rythmes de clignotement est le décalage rendu visible.
Là encore, la figure ne combine pas le décalage en un angle. Elle existe pour montrer à quoi ressemble concrètement une différence de période sur un disque.
Le voyant “Fin” de la figure 2 et le voyant “Sec.” de la figure 3 se ressemblent mais font des choses différentes. Le premier est un cycle fin servant à interpoler à l’intérieur d’un intervalle ; le second est une période secondaire dont le décalage par rapport à la principale fournit une information absolue grossière. Ni l’un ni l’autre ne représente à lui seul une position.
Où l’on rencontre réellement chacun des trois types
Ces trois-là apparaissent le plus souvent face à une contrainte : la place manque, ou le disque ne peut pas être épaissi. Ce qui suit décrit des tendances générales, et le type retenu varie d’un modèle à l’autre.
Piste unique (PRBS / séquence M)
Avec une seule piste de code, le disque peut rester étroit dans le sens radial. Cela s’avère payant sur les modèles à arbre creux, où le câblage ou la tuyauterie passe par le centre, et sur les petits capteurs absolus qu’il faut loger dans l’espace laissé par le mécanisme.
Cela dit, comme on l’a vu, la lecture réclame toujours de quoi capturer une fenêtre. L’effort épargné sur le disque se déplace vers la tête et le traitement en aval : ce n’est donc pas un style que l’on choisit comme simple remplacement d’un disque multipiste.
Hybride (absolu grossier plus cycle fin)
Parmi les codeurs absolus à haute résolution, cette combinaison frôle la pratique standard, car atteindre la même résolution avec un code absolu grossier seul exigerait un nombre de pistes irréaliste.
On la rencontre dans le retour de position intégré aux servomoteurs et dans la détection d’angle des tables de précision : des endroits où l’on exige à la fois la position absolue et une résolution fine.
Vernier (différence de période)
Deux pistes périodiques couvrant l’information absolue grossière, ce style convient aux modèles petits et minces, sans place pour aligner de nombreuses pistes. Le même raisonnement se retrouve sur les codeurs magnétiques comme optiques, avec des nombres de pôles qui diffèrent d’une unité.
L’idée s’étend à la détection multitour, qui consiste à compter le nombre de révolutions effectuées par l’arbre. On engrène des roues dentées dont les nombres de dents diffèrent légèrement et l’on retrouve le compte de tours à partir du décalage entre elles.
C’est une famille où nommer le style d’après le seul motif est réellement difficile. Un disque au bord extérieur fin n’est pas forcément hybride, et un anneau d’aspect irrégulier n’est pas forcément PRBS. Quand vous avez besoin de savoir, cherchez une description de la façon dont l’appareil obtient la position absolue plutôt que d’essayer de la déduire du dessin.
Ce que chacun des trois types économise
Tous trois partent de la même motivation — éviter d’ajouter des pistes — mais ils économisent à des endroits différents.
| Type | D’où vient la position absolue | Pistes de code | Traitement omis dans la figure |
|---|---|---|---|
| Piste unique (PRBS) | Toute fenêtre de bits consécutifs est unique | Une (sans bande de synchronisation dessinée) | Faire correspondre une fenêtre à une position |
| Hybride | Un code absolu grossier fixe l’intervalle | Une par bit grossier, plus la bande fine | Interpolation à partir du cycle fin |
| Vernier | Décalage entre les périodes principale et secondaire | Deux (principale et secondaire) | Tirer un angle du décalage |
Moins un disque porte de pistes, plus le disque lui-même devient simple, et plus le travail d’en extraire une position se déplace vers le traitement situé derrière le capteur. Ce que ces figures omettent, c’est précisément ce travail déplacé. Lisez-les comme un moyen de voir où s’arrête le motif du disque et où commence le calcul.
Les styles classiques, où une piste correspond à un bit — binaire, Gray et incrémental — sont traités dans (1) Codes multipistes.
Questions fréquentes
Q1. Si une seule piste suffit, pourquoi les disques multipistes existent-ils encore ?
R. Une seule piste garde le disque étroit, mais elle impose une étape qui confronte la fenêtre de bits lue à une position dans la séquence. Sur un disque absolu multipiste, la combinaison que vous lisez est l’adresse, si bien que la lecture reste simple. Tout revient à savoir ce que vous préférez garder simple : le disque ou l’électronique.
Q2. Un disque PRBS est-il la même chose que le code-barres d’un produit ?
R. Ils se ressemblent, mais ils viennent d’horizons différents. Un code-barres encode une chaîne de caractères fixe. Un disque PRBS représente la position elle-même, en exploitant le fait que toute fenêtre de n bits prélevée en n’importe quel point de l’anneau est unique. Faites tourner le disque de la figure et vous verrez que la configuration de bits dans la fenêtre diffère à chaque position.
Q3. Que représente le voyant “Fin” de la figure hybride ?
R. Le fait que le capteur situé sous la bande périodique fine du bord voie à l’instant du clair ou du sombre. Le matériel réel interpole ce signal pour obtenir une position précise à l’intérieur de l’intervalle ; la figure s’arrête à l’affichage du 0 et du 1 et n’effectue pas l’interpolation.
Q4. Un codeur vernier repose-t-il sur le même principe que le vernier d’un pied à coulisse ?
R. L’idée de fond est la même : superposer deux échelles de périodes légèrement différentes et lire une valeur fine à partir du décalage entre elles. La figure emprunte cette intuition en opposant une période principale à une période secondaire. Elle s’arrête avant de combiner le décalage en un angle et se contente de montrer les deux périodes qui glissent l’une par rapport à l’autre.
Q5. Pouvez-vous récapituler tout ce que ces figures omettent ?
R. La figure à piste unique ne fait pas correspondre la fenêtre de bits à une position, l’hybride n’interpole pas à partir du cycle fin et la vernier ne tire pas d’angle du décalage. La figure à piste unique omet en outre la piste de synchronisation que le matériel réel embarque généralement. Ce que vous voyez, c’est le motif du disque et les signaux qui s’en lisent directement.
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