常见编码器输出信号比较

2018年7月31日 Jason Kelly

常见编码器输出信号比较

在为运动控制应用选择编码器时,需要在众多产品中作出选择。负责指定传感器的工程师必须确定其应用需要的是增量编码器绝对值编码器,还是换相编码器。一旦确定需要的类型,他们就需要考虑一长串其他参数,例如:分辨率、安装方式、电机轴尺寸等等。此外,有时会忽略需要的编码器输出信号类型。有时答案并不明确,所以在这篇文章中,我们会审视几乎所有编码器中都有的三种主要输出类型:集电极开路、推挽式和差分线路驱动器。这三种输出类型描述了数字通信的物理层面

无论是增量编码器的正交输出、换相编码器的电机极输出,还是使用特定协议的串行接口,所有这些输出信号都是数字信号,且都具有高低状态。也就是说,一个5 V 编码器的信号会一直在0 V(对地)的低压(或二进制0),与5 V 的高压(或二进制1)之间切换。在本文中,我们将重点了解输出基本方波的增量编码器输出。

图示:典型5 V数字方波
典型5 V 数字方波

集电极开路输出

市面上大多数旋转编码器都采用集电极开路输出。这就意味着可以将数字信号的对地输出压低,而在认为信号电平高时,只需断开输出的连接即可。这种输出称为集电极开路,是因为输入信号电平高时,晶体管上的集电极引脚就会保持开路或断开。

图示:集电极开路编码器中使用的双极结型晶体管
集电极开路编码器中使用的双极结型晶体管

要与该设备连接,需用一个外部电阻将集电极“提升”至所需的高电压电平。这是一种有用的输出类型,可帮助工程师尝试与具有不同电压电平的系统连接。可以提升集电极的电压电平,以满足低于或高于编码器工作电压的条件。

图示:在集电极开路编码器外部加装的提升电阻
在集电极开路编码器外部加装的提升电阻

然而,该连接的劣势常常掩盖住改变编码器电压电平的功能。在集电极开路编码器上加装外部电阻并不是非常困难,许多现成的控制器已经内置了外部电阻,但这些外部电阻的运行需要消耗电流,且会影响输出信号,从而随着频率改变信号特性。让我们重新考虑增量编码器的方波,只是这次我们将其调整到非常接近其中一种状态变化。我们希望数字信号能够立即实现从低到高的转换,但我们当然明白一切都需要时间。我们将这一时间延迟称为转换速率。

转换速率较低的方波特写图
转换速率较低的方波特写图

在集电极开路输出中,由于电阻在RC时序电路中充当R,转换速率受提升电阻的电阻值影响。如果转换速率降低,编码器的运行速度也会降低(和/或增量编码器的分辨率也会降低)。使用较低值的电阻(提升较强)可以提高转换速率,但这种折衷会让系统消耗更多功率,因为当信号较低时,提升电阻必须通过系统消耗更多电流。

推挽式输出

弥补集电极开路连接缺点的最佳选择是推挽式配置。推挽式配置使用两个晶体管,而不是一个。上部晶体管用作有源提升件,下部晶体管则与集电极开路配置中的晶体管工作方式相同。推挽式配置可实现快速数字转换,比调节信号线的电阻所能实现的转换速率更高。如果没有电阻耗散功率,这种输出类型的功率耗用量也会比较低。这使得推挽式输出成为电池供电应用的更好选择,因为此种应用的可用功率非常宝贵。

图示:推挽式晶体管配置
推挽式晶体管配置

所有CUI单端AMT编码器都使用推挽式输出。无需使用外部提升电阻连接AMT编码器型号的输出。这使得测试和原型设计变得更加容易,只需更少的耗材即可启动和运行。务必要注意,AMT编码器的输出在产品表上称为CMOS。这只是表明接口设备应如何转换从推挽式输出端接受的高低电压电平。这些高低值因设备而异,因此应查询所需产品的产品表。

差分线路驱动器输出

推挽式编码器的性能虽然优于之前的集电极开路编码器,但由于它是单端输出,所以不一定适合所有项目。如果应用需要较长的布线距离,或者使用的电缆会承受大量电噪音和干扰,那么带差分线路驱动器输出的编码器会是最佳选择。差分输出是通过与推挽式输出相同的晶体管配置生成的,但不是只产生一个信号,而是两个。这些信号被称为差分对;其中一个信号与原始信号匹配,而另一个信号则与原始信号完全相反,因而它有时被称为互补信号。

在单端输出中,接收器始终参考相对于公共接地的传输信号。然而在电压和转换速率趋于降低的长布线距离中,经常发生信号错误。在差分应用中,主机生成原始的单端信号,然后信号进入差分发射器。该发射器产生差分对,通过电缆发送出去。接收器在产生两个信号之后,不再参考对地电压电平,而是参考相互之间的信号。这意味着接收器不是确定特定的电压电平,而是一直在参考两个信号之间的差值。然后差分接收器将该对信号重构为一个单端信号,主机设备可使用主机所需的适当逻辑电平转换该信号。这类接口还能通过差分收发器之间的通信,让具有不同电压电平的设备一起运行。所有这些设备共同工作,以克服单端应用可能因布线距离长而发生的信号衰减。

图示:差分线路驱动器的波形过程
由差分驱动器驱动并由接收器重构的编码器输出

然而,信号衰减不是长布线距离引起的唯一问题。系统内的布线越长,电噪音和干扰进入电缆并最终进入电气系统的可能性就越大。噪音进入线缆之后,就会显示为不同大小的电压。在使用单端输出编码器的系统中,这可能导致系统的接收侧读取错误的高低逻辑值,从而导致产生错误的位置数据。这是个大问题!所幸差分线路驱动器接口可以妥善处理这种噪音。电缆长度超过1米时,CUI通常推荐使用差分线路驱动器。

使用差分线路驱动器时,需要使用双绞线。双绞线由A和A-信号线缆组成,它们在既定距离内缠绕成指定圈数。使用这种类型的电缆,在一条信号线上产生的噪音会被同等地施加在另一条线上。如果A信号电压骤升,A-信号同样会遭遇骤升。因为差分接收器相互减去信号以获得重构信号,所以它将忽略两条线上相同的噪音。差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为共模抑制。差分线路驱动器接口具有抑制噪音能力,因而在工业和汽车应用中得到普遍使用。

示例图:忽略两个信号共有噪音的差分接收器
差分接收器会忽略两个信号的所有共有物

通过了解不同的编码器输出类型及其优缺点,工程师可以更好地为其应用选择最佳输出类型。CUI的AMT编码器全都提供推挽式输出,用于降低功耗并简化安装工作。许多型号还提供差分线路驱动器选项,以满足更苛刻的应用需求。

有用资源

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Jason Kelly

Jason Kelly

运动控制设计和应用工程师

作为CUI的AMT编码器和运动控制产品设计工程师,Jason Kelly参与大量新型编码器的设计,其中包括配套附件的创建、软件接口和客户工具。他对于领先的工程设计和实践的重视明确体现在CUI的创新型AMT编码器以及他为客户提供的现场支持上。Jason如果不在实验室从事设计,就会忙着改造自己的家、摆弄他的卡车,或者和他的妻子及家人一同探索太平洋西北地区的野外隐藏的宝石。

 
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