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了解編碼器輸出信號(hào)有助于選擇最佳設(shè)備

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

電子電機(jī)控制器常常需要接入編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)速。要想選擇合適的設(shè)備,工程師就必須對(duì)若干方面進(jìn)行評(píng)估。第一步則是判斷應(yīng)用需要的是增量編碼器、絕對(duì)編碼器還是換向編碼器。一經(jīng)確定,就必須考慮分辨率、安裝方式、電機(jī)軸尺寸等其他參數(shù)。

最合適的輸出信號(hào)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(qū)動(dòng)器輸出。本文將分別介紹這三種輸出類型,幫助工程師根據(jù)具體應(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(jī)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(hào)。因此,5 V 編碼器的信號(hào)會(huì)一直在近似 0 V 與 5 V 之間切換,這兩個(gè)電壓分別對(duì)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。(圖片來源:CUI Inc.)

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(hào)為高電平時(shí),晶體管的集電極引腳保持開路或斷開。當(dāng)輸出為低電平時(shí),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(hào)為高電平時(shí)輸出斷開,需要使用外部“上拉”電阻,才能確保集電極電壓達(dá)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(shí)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(dāng)電壓以連接至外部系統(tǒng)。(圖片來源:CUI Inc.)

不過,這種接口也具有一些缺陷。許多現(xiàn)成的控制器都已內(nèi)置了上拉電阻,而這些上拉電阻會(huì)消耗電流,即產(chǎn)生耗散功率。此外,當(dāng)該電阻與寄生電容組成 RC 電路時(shí),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(dāng)輸出在兩種邏輯狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí),上拉電阻會(huì)顯著降低輸出電壓轉(zhuǎn)換速率。(圖片來源:CUI Inc.)

通過降低轉(zhuǎn)換速率,上拉電阻會(huì)顯著降低編碼器運(yùn)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(dāng)信號(hào)為低電平時(shí),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(gè)晶體管,而不是一個(gè)(圖 5),因此可以彌補(bǔ)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(shí)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(hào)為低電平時(shí),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(duì)較小,從而使電池供電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)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(cè)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(dòng)器輸出

雖然使用推挽輸出的編碼器彌補(bǔ)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(shí),信號(hào)幅度衰減,電容效應(yīng)將減慢轉(zhuǎn)換速率。由于單端信號(hào)的傳輸信號(hào)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(cuò)誤地解碼信號(hào)電壓。

電纜長度超過一米時(shí),CUI 建議使用差分信號(hào)。使用差分線路驅(qū)動(dòng)器的編碼器可產(chǎn)生兩個(gè)輸出信號(hào):一個(gè)與原始信號(hào)相匹配,另一個(gè)與之完全相反,即互補(bǔ)信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)之間的幅度差是原始單端信號(hào)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(dòng)器克服了信號(hào)衰減問題。(圖片來源:CUI Inc.)

此外,由于兩個(gè)信號(hào)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(dāng)出色,差分線路驅(qū)動(dòng)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(dòng)器輸出選項(xiàng),可用于要求嚴(yán)苛的應(yīng)用。

圖 7:差分接收器可忽略兩個(gè)信號(hào)上同時(shí)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(duì)優(yōu)勢(shì),有助于工程師綜合考量最佳功耗、可靠通信、適當(dāng)?shù)倪B接距離以及充分的抗噪性,從而為應(yīng)用選擇最佳設(shè)備。

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