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了解編碼器輸出信號有助于選擇最佳設備

丫丫119 ? 來源:未知 ? 作者:肖冰 ? 2019-09-09 09:26 ? 次閱讀

電子電機控制器常常需要接入編碼器以檢測轉子位置和/或轉速。要想選擇合適的設備,工程師就必須對若干方面進行評估。第一步則是判斷應用需要的是增量編碼器、絕對編碼器還是換向編碼器。一經確定,就必須考慮分辨率、安裝方式、電機軸尺寸等其他參數。

最合適的輸出信號類型并不總是那么明顯,而且往往受到忽視。最常見的三種類型是開集輸出、推挽輸出和差分線路驅動器輸出。本文將分別介紹這三種輸出類型,幫助工程師根據具體應用需求選擇合適的設備。

首要原則

無論是增量編碼器的正交輸出,換向編碼器的電機極輸出,還是使用特定協議的串行輸出,這些編碼器輸出都是數字信號。因此,5 V 編碼器的信號會一直在近似 0 V 與 5 V 之間切換,這兩個電壓分別對應邏輯 0 和 1。增量編碼器的輸出是基本方波,如圖 1 所示。

圖 1:數字編碼器的通用方波輸出。(圖片來源:CUI Inc.)

開集輸出

旋轉編碼器大多采用開集輸出(圖 2),即輸入信號為高電平時,晶體管的集電極引腳保持開路或斷開。當輸出為低電平時,輸出直接接地。

圖 2:開集輸出原理圖。(圖片來源:CUI Inc.)

由于輸入信號為高電平時輸出斷開,需要使用外部“上拉”電阻,才能確保集電極電壓達到所需的電平,即邏輯 1。因此,工程師在連接不同電壓的系統時就更具靈活性:通過上拉電阻可將集電極電壓上拉至不同電壓,使之高于或低于編碼器工作電壓(圖 3)。

圖 3:集電極輸出可上拉至適當電壓以連接至外部系統。(圖片來源:CUI Inc.)

不過,這種接口也具有一些缺陷。許多現成的控制器都已內置了上拉電阻,而這些上拉電阻會消耗電流,即產生耗散功率。此外,當該電阻與寄生電容組成 RC 電路時,輸出在高電壓與低電壓之間的轉換速率將因此降低。轉換斜率(圖 4)即轉換速率。

圖 4:當輸出在兩種邏輯狀態之間轉換時,上拉電阻會顯著降低輸出電壓轉換速率。(圖片來源:CUI Inc.)

通過降低轉換速率,上拉電阻會顯著降低編碼器運行速度,從而降低增量編碼器的分辨率。減小電阻值可以提高轉換速率,但是當信號為低電平時,上拉電阻功耗的電流更大,耗散功率也更大。

推挽輸出

推挽輸出使用兩個晶體管,而不是一個(圖 5),因此可以彌補上述開集輸出接口的缺陷。上部晶體管取代上拉電阻,導通時可將電壓上拉至電源電壓,由于電阻極小,因而轉換速率較快。而輸出信號為低電平時,晶體管關斷,因此相較于開集電路,該有源上拉電路的耗散功率也相對較小,從而使電池供電設備的運行時間相對較長。

圖 5:推挽輸出(圖片來源:CUI Inc.)

CUI 的AMT 系列單端編碼器都使用推挽輸出,因此無需上拉電阻即可連接外部電路。除了提高速率和降低耗散功率外,推挽輸出還可簡化測試和原型開發。此外,AMT 編碼器還具有 CMOS 輸出。由于設備的高低電壓各不相同,因此應參考規格書以確定如何轉換輸出電壓。

差分線路驅動器輸出

雖然使用推挽輸出的編碼器彌補了開集輸出的一些缺陷,但兩者都是單端輸出。在布線距離較長的應用或存在電噪聲和干擾的環境中,使用單端輸出具有一定局限性。

布線距離較長時,信號幅度衰減,電容效應將減慢轉換速率。由于單端信號的傳輸信號以地為參考,這類衰減就可能產生誤差,從而導致系統性能下降。

此外,在電噪聲環境中,不同幅度的干擾電壓都將耦合到電纜上,從而導致單端系統的接收器錯誤地解碼信號電壓。

電纜長度超過一米時,CUI 建議使用差分信號。使用差分線路驅動器的編碼器可產生兩個輸出信號:一個與原始信號相匹配,另一個與之完全相反,即互補信號。這兩個信號之間的幅度差是原始單端信號的兩倍,有助于克服電壓降和電容引起的衰減問題(圖 6)。

圖 6:差分線路驅動器克服了信號衰減問題。(圖片來源:CUI Inc.)

此外,由于兩個信號均存在共模噪聲,可以相互抵消,因此接收系統可忽略其影響(圖 7)。由于噪聲抑制能力相當出色,差分線路驅動器接口廣泛用于工業和汽車應用。多種 CUI 編碼器都提供差分線路驅動器輸出選項,可用于要求嚴苛的應用。

圖 7:差分接收器可忽略兩個信號上同時存在的噪聲。(圖片來源:CUI Inc.)

綜上所述,本文簡要說明了編碼器的三種輸出類型及其相對優勢,有助于工程師綜合考量最佳功耗、可靠通信、適當的連接距離以及充分的抗噪性,從而為應用選擇最佳設備。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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