Encoder Ottico: guida didattica

Guida didattica per usare il simulatore di encoder ottico incrementale in ITIS, IP MAT e Liceo Scientifico con attività su quadratura A/B, verso di rotazione e decodifica x1/x2/x4.

In sintesi: per chi cerca veloce

Questo simulatore mostra come un encoder ottico incrementale trasformi la rotazione di un disco scanalato in due onde quadre A e B sfasate di 90°, ed è pensato per ITIS, Istituti Professionali e Liceo Scientifico. Il docente fa girare il disco alla LIM e la classe vede nascere lo sfasamento da cui si leggono verso di rotazione e posizione. Il punto centrale è il legame, difficile da disegnare alla lavagna, tra sfasamento dei due canali e senso di rotazione.

Per ITIS Elettronica (4° anno): lo strumento d'elezione per trasduttori di posizione e acquisizione dati. Mostra dal vivo la quadratura, la decodifica x1/x2/x4 e la risoluzione effettiva, e la differenza tra uscita unipolare e line driver.

Per IP MAT (4° anno, TTIM/LTE): utile per la manutenzione di sistemi automatici. Lo studente capisce cosa deve leggere a un encoder di un nastro o di un asse motorizzato, cosa significa il canale di indice Z e come si riconosce il verso di marcia.

Per Liceo Scientifico (5° anno, Fisica): l'encoder non è nel programma, ma è un esempio applicativo per collegare il moto rotatorio alla generazione di segnali digitali e per introdurre il concetto di campionamento di una grandezza fisica.

Collocazione curricolare

Il simulatore in sintesi

• Disco e read head: un disco scanalato (PPR feritoie) ruota davanti a due sensori A e B; il numero di feritoie è regolabile.
• Modalità Run: il disco gira alla velocità impostata (RPM) nel verso scelto; sullo scope scorrono le onde A e B sfasate di 90°.
• Step e trascinamento: si può avanzare di un conteggio per volta o trascinare il disco con il puntatore per congelare e ispezionare i fronti.
• Decodifica x1/x2/x4: cambia quali fronti vengono contati e quindi la risoluzione (conteggi/giro).
• Uscita unipolare o line driver: il line driver aggiunge i canali complementari Ā e B̄.
• Canale di indice Z: un impulso per giro, attivabile, come riferimento di posizione.

Il simulatore funziona nel browser senza installazione ed è ottimizzato per la LIM a 1280×720.

L'interfaccia in inglese tecnico supporta obiettivi CLIL e introduce il vocabolario internazionale di settore (encoder, quadrature, index, pulses per revolution, line driver) che gli studenti incontreranno su datasheet, standard IEC e documentazione professionale.

Vincoli noti del simulatore

• È un modello ideale: niente rumore, niente rimbalzo dei contatti, fronti perfetti.
• Il disco è illustrativo: i rivelatori A e B sono disegnati in una read head, non nelle esatte posizioni angolari; lo sfasamento preciso di 90° si legge sull'oscilloscopio.
• La frequenza del canale A è mostrata solo in modalità Run (rotazione costante); a mano, con Step o in pausa appare "—", perché la frequenza di un segnale mosso a mano non è definita.
• È un encoder incrementale: dà posizione relativa (azzerabile), non posizione assoluta; non esiste codifica Gray o auto-azzeramento sullo Z.
• Il numero di feritoie è limitato (max 24) per leggibilità alla LIM, non riproduce i valori industriali (1024 e oltre).

Fasi della lezione con il simulatore

Fase 1: dalla feritoia all'onda quadra (10 min)

Si imposta una velocità bassa e si avvia. La classe osserva il singolo canale A: ogni feritoia che passa sotto il sensore genera un livello alto, l'opaco un livello basso. Si introduce il legame tra numero di feritoie e numero di impulsi per giro.

Fase 2: lo sfasamento di 90° e il verso (15 min)

Si attiva anche B e si fa notare che le due onde sono identiche ma sfasate di 90°. Si inverte il verso (CW/CCW) e si osserva che cambia quale canale anticipa: a CW "A leads B", a CCW "B leads A". Qui sta il cuore: con un solo canale non si può dedurre il verso, con due sì.

Fase 3: decodifica e risoluzione (10 min)

Si passa da x1 a x2 a x4 e si guarda la KPI Resolution e la velocità con cui sale Position. Si usa Step per far vedere che a x4 ogni conteggio corrisponde a un quarto di feritoia: risoluzione più fine.

Fase 4: indice Z e line driver (10 min)

Si attiva lo Z e si fa girare fino a vedere l'impulso una volta per giro. Si discute a cosa serve (riferimento di zero). Infine si passa a line driver e si introducono i canali complementari Ā/B̄ e la loro utilità contro i disturbi.

Errori frequenti degli studenti

"Basta un canale per sapere se gira." Misconcezione molto comune in 4ª ITIS. Con il solo canale A si contano gli impulsi ma non si distingue il verso: la stessa sequenza di alti e bassi vale per entrambi i sensi. Nel simulatore si invertono CW/CCW guardando solo A: l'onda è identica. Solo aggiungendo B e osservando chi anticipa il verso diventa leggibile.

"x4 rende l'encoder più veloce." Errore frequente sia in ITIS sia in IP MAT. La decodifica non cambia né la velocità del disco né le forme d'onda: cambia solo quanti fronti il contatore considera, quindi la risoluzione. Nel simulatore le onde A/B restano identiche passando da x1 a x4, mentre cambiano solo Resolution e la velocità di Position.

"Lo Z conta come A e B." Comune quando si introduce l'indice. Lo Z non serve a contare la posizione fine, ma dà un riferimento una volta per giro (lo zero macchina). Nel simulatore si vede che Z scatta una sola volta a giro, indipendentemente dal PPR.

Domande guida per la classe

• Perché due canali e non uno solo? Cosa si perde con un canale singolo?
• Cosa cambia, sullo scope, tra rotazione oraria e antioraria?
• Se raddoppio le feritoie a parità di decodifica, cosa succede alla risoluzione?
• A cosa serve il canale Z su una macchina reale?
• Perché su un cavo lungo conviene il line driver invece dell'uscita unipolare?

Esempi reali per ancorare il concetto

• L'encoder sul motore di un nastro trasportatore: il PLC conta gli impulsi per sapere di quanto è avanzato il prodotto.
• La rotella del mouse a sfera o ottica: due fototransistor in quadratura per sapere verso e quantità di scorrimento.
• L'asse di una macchina CNC: l'encoder chiude l'anello di posizione, lo Z dà lo zero macchina a inizio lavorazione.
• La testina di un servomotore brushless: la quadratura fornisce posizione e velocità al driver.

Progettazione didattica assistita da AI

Puoi usare un assistente AI per costruire materiali a partire da ciò che gli studenti hanno osservato nel simulatore. I prompt sotto sono già calibrati per i tre profili di scuola.

Concetti correlati: quadratura, segnali A/B/Z, decodifica x1/x2/x4, risoluzione, line driver, trasduttore di posizione, acquisizione dati.

Contenuto del simulatore: riferimento tecnico

• Disco scanalato: PPR regolabile (4–24 feritoie); ogni feritoia = un periodo del canale A.
• Canali A e B: onde quadre al 50% di duty, sfasate di 90° elettrici; il verso si legge da chi anticipa.
• Canale Z (indice): un impulso per giro, attivabile, come riferimento di posizione.
• Decodifica: x1 (fronti di salita di A), x2 (entrambi i fronti di A), x4 (tutti i fronti di A e B); risoluzione = PPR × fattore.
• Uscita: unipolare (A, B) oppure line driver (A, Ā, B, B̄).
• Comandi: Run, Step avanti/indietro, Reset count, trascinamento del disco, velocità (RPM), verso CW/CCW.
• KPI: Position (conteggio con segno), Direction (CW/CCW con A leads B / B leads A), Resolution (conteggi/giro), Channel A freq (solo in Run).

Moduli collegati

• Porte logiche: i segnali A/B/Z sono livelli digitali; il conteggio è elaborazione logica a valle.
• Transistor BJT: lo stadio di uscita dell'encoder (collettore aperto, line driver) si basa sul transistor come interruttore.
• Motore elettrico: l'encoder chiude l'anello di posizione e velocità degli azionamenti.