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幾種旋轉編碼器的信號輸出形式
發布時間:2019-04-12
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在為運動控制應用選擇旋轉編碼器時,需要在眾多產品中作出選擇。負責指定傳感器的工程師必須確定其應用需要的是增量編碼器、絕對值編碼器,還是換相編碼器。一旦確定需要的類型,他們就需要考慮一長串其他參數,例如:分辨率、安裝方式、電機軸尺寸等等。此外,有時會忽略需要的編碼器輸出信號類型。有時答案并不明確,所以在這篇文章中,我們會審視幾乎所有編碼器中都有的三種主要輸出類型:集電極開路、推挽式和差分線路驅動器。這三種輸出類型描述了數字通信的物理層面。

       無論是增量編碼器的正交輸出、換相編碼器的電機極輸出,還是使用特定協議的串行接口,所有這些輸出信號都是數字信號,且都具有高低狀態。也就是說,一個5 V 編碼器的信號會一直在0 V(對地)的低壓(或二進制0),與5 V 的高壓(或二進制1)之間切換。在本文中,我們將重點了解輸出基本方波的增量編碼器輸出。

       集電極開路輸出


       市面上大多數旋轉編碼器都采用集電極開路輸出。這就意味著可以將數字信號的對地輸出壓低,而在認為信號電平高時,只需斷開輸出的連接即可。這種輸出稱為集電極開路,是因為輸入信號電平高時,晶體管上的集電極引腳就會保持開路或斷開。

       要與該設備連接,需用一個外部電阻將集電極“提升”至所需的高電壓電平。這是一種有用的輸出類型,可幫助工程師嘗試與具有不同電壓電平的系統連接??梢蕴嵘姌O的電壓電平,以滿足低于或高于編碼器工作電壓的條件。

       然而,該連接的劣勢常常掩蓋住改變編碼器電壓電平的功能。在集電極開路編碼器上加裝外部電阻并不是非常困難,許多現成的控制器已經內置了外部電阻,但這些外部電阻的運行需要消耗電流,且會影響輸出信號,從而隨著頻率改變信號特性。讓我們重新考慮增量編碼器的方波,只是這次我們將其調整到非常接近其中一種狀態變化。我們希望數字信號能夠立即實現從低到高的轉換,但我們當然明白一切都需要時間。我們將這一時間延遲稱為轉換速率。

       在集電極開路輸出中,由于電阻在RC時序電路中充當R,轉換速率受提升電阻的電阻值影響。如果轉換速率降低,編碼器的運行速度也會降低(和/或增量編碼器的分辨率也會降低)。使用較低值的電阻(提升較強)可以提高轉換速率,但這種折衷會讓系統消耗更多功率,因為當信號較低時,提升電阻必須通過系統消耗更多電流。

       推挽式輸出


        彌補集電極開路連接缺點的最佳選擇是推挽式配置。推挽式配置使用兩個晶體管,而不是一個。上部晶體管用作有源提升件,下部晶體管則與集電極開路配置中的晶體管工作方式相同。推挽式配置可實現快速數字轉換,比調節信號線的電阻所能實現的轉換速率更高。如果沒有電阻耗散功率,這種輸出類型的功率耗用量也會比較低。這使得推挽式輸出成為電池供電應用的更好選擇,因為此種應用的可用功率非常寶貴。

       差分線路驅動器輸出


       推挽式編碼器的性能雖然優于之前的集電極開路編碼器,但由于它是單端輸出,所以不一定適合所有項目。如果應用需要較長的布線距離,或者使用的電纜會承受大量電噪音和干擾,那么帶差分線路驅動器輸出的編碼器會是最佳選擇。差分輸出是通過與推挽式輸出相同的晶體管配置生成的,但不是只產生一個信號,而是兩個。這些信號被稱為差分對;其中一個信號與原始信號匹配,而另一個信號則與原始信號完全相反,因而它有時被稱為互補信號。

       在單端輸出中,接收器始終參考相對于公共接地的傳輸信號。然而在電壓和轉換速率趨于降低的長布線距離中,經常發生信號錯誤。在差分應用中,主機生成原始的單端信號,然后信號進入差分發射器。該發射器產生差分對,通過電纜發送出去。接收器在產生兩個信號之后,不再參考對地電壓電平,而是參考相互之間的信號。這意味著接收器不是確定特定的電壓電平,而是一直在參考兩個信號之間的差值。然后差分接收器將該對信號重構為一個單端信號,主機設備可使用主機所需的適當邏輯電平轉換該信號。這類接口還能通過差分收發器之間的通信,讓具有不同電壓電平的設備一起運行。所有這些設備共同工作,以克服單端應用可能因布線距離長而發生的信號衰減。

       然而,信號衰減不是長布線距離引起的唯一問題。系統內的布線越長,電噪音和干擾進入電纜并最終進入電氣系統的可能性就越大。噪音進入線纜之后,就會顯示為不同大小的電壓。在使用單端輸出編碼器的系統中,這可能導致系統的接收側讀取錯誤的高低邏輯值,從而導致產生錯誤的位置數據。這是個大問題!所幸差分線路驅動器接口可以妥善處理這種噪音。電纜長度超過1米時,奧凱特通常推薦使用差分線路驅動器。

       使用差分線路驅動器時,需要使用雙絞線。雙絞線由A和A-信號線纜組成,它們在既定距離內纏繞成指定圈數。使用這種類型的電纜,在一條信號線上產生的噪音會被同等地施加在另一條線上。如果A信號電壓驟升,A-信號同樣會遭遇驟升。因為差分接收器相互減去信號以獲得重構信號,所以它將忽略兩條線上相同的噪音。差分接收器忽略兩條信號線上相同電壓的能力稱為共模抑制。差分線路驅動器接口具有抑制噪音能力,因而在工業和汽車應用中得到普遍使用。


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