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編碼器輸出的是什么信號

編輯:Hengstler(亨士樂)編碼器    發(fā)布時間:2022/4/19 13:08:10

摘要:編碼器輸出的是什么信號?Hengstler編碼器工程師需要從幾個方面進行評估。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(xié)議的串行輸出,這些編碼器輸出都是數(shù)字信號。
編碼器輸出的是什么信號

電子電機控制裝置通常需要接近編碼器來感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置或速度。為了選擇合適的設(shè)備,Hengstler編碼器工程師需要從幾個方面進行評估。第一步是確定應(yīng)用程序是否需要增量編碼器、絕對編碼器或換向編碼器。一旦確定,必須考慮其他參數(shù),如分辨率、安裝類型、電機軸尺寸等。

最合適的輸出信號類型并不總是顯而易見的,往往被忽略。最常見的三種類型是集電極開路輸出、推挽輸出和差分線路驅(qū)動器輸出。西安德伍拓工程師將分別介紹這三種輸出類型,以幫助工程師根據(jù)其特定的應(yīng)用需求選擇合適的設(shè)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(xié)議的串行輸出,這些編碼器輸出都是數(shù)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(yīng)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(shù)字編碼器的通用方波輸出。

開集輸出

旋轉(zhuǎn)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。

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(tǒng)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(tǒng)。

不過,這種接口也具有一些缺陷。許多現(xiàn)成的Hengstler編碼器控制器都已內(nèi)置了上拉電阻,而這些上拉電阻會消耗電流,即產(chǎn)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(zhuǎn)換速率將因此降低。轉(zhuǎn)換斜率(圖 4)即轉(zhuǎn)換速率。

圖 4:當輸出在兩種邏輯狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時,上拉電阻會顯著降低輸出電壓轉(zhuǎn)換速率。

通過降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)通時可將電壓上拉至電源電壓,由于電阻極小,因而轉(zhuǎn)換速率較快。而輸出信號為低電平時,晶體管關(guān)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(shè)備的運行時間相對較長。

圖 5:推挽輸出

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(fā)。此外,AMT 編碼器還具有 CMOS 輸出。由于設(shè)備的高低電壓各不相同,因此應(yīng)參考規(guī)格書以確定如何轉(zhuǎn)換輸出電壓。

差分線路驅(qū)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(yīng)用或存在電噪聲和干擾的環(huán)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(yīng)將減慢轉(zhuǎn)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(chǎn)生誤差,從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

此外,在電噪聲環(huán)境中,不同幅度的干擾電壓都將耦合到電纜上,從而導(dǎo)致單端系統(tǒng)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(qū)動器的編碼器可產(chǎn)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(qū)動器克服了信號衰減問題。

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(tǒng)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(qū)動器接口廣泛用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。多種 CUI 編碼器都提供差分線路驅(qū)動器輸出選項,可用于要求嚴苛的應(yīng)用。

圖 7:差分接收器可忽略兩個信號上同時存在的噪聲。

綜上所述,本文簡要介紹了編碼器的三種輸出類型及其相對優(yōu)勢,可以幫助工程師考慮最佳的功耗、可靠的通信、合理的鏈路距離和足夠的抗干擾能力來選擇最佳的應(yīng)用設(shè)備。

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