了解编码器输出信号有助于选择最佳设备

肖冰 发表于 2019-09-09 09:26:45 收藏 已收藏
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了解编码器输出信号有助于选择最佳设备

肖冰 发表于 2019-09-09 09:26:45
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电子电机控制器常常需要接入编码器以检测转子位置和/或转速。要想选择合适的设备,工程师就必须对若干方面进行评估。第一步则是判断应用需要的是增量编码器、绝对编码器还是换向编码器。一经确定,就必须考虑分辨率、安装方式、电机轴尺寸等其他参数。

最合适的输出信号类型并不总是那么明显,而且往往受到忽视。最常见的三种类型是开集输出、推挽输出和差分线路驱动器输出。本文将分别介绍这三种输出类型,帮助工程师根据具体应用需求选择合适的设备。

首要原则

无论是增量编码器的正交输出,换向编码器的电机极输出,还是使用特定协议的串行输出,这些编码器输出都是数字信号。因此,5 V 编码器的信号会一直在近似 0 V 与 5 V 之间切换,这两个电压分别对应逻辑 0 和 1。增量编码器的输出是基本方波,如图 1 所示。

图 1:数字编码器的通用方波输出。(图片来源:CUI Inc.)

开集输出

旋转编码器大多采用开集输出(图 2),即输入信号为高电平时,晶体管的集电极引脚保持开路或断开。当输出为低电平时,输出直接接地。

图 2:开集输出原理图。(图片来源:CUI Inc.)

由于输入信号为高电平时输出断开,需要使用外部“上拉”电阻,才能确保集电极电压达到所需的电平,即逻辑 1。因此,工程师在连接不同电压的系统时就更具灵活性:通过上拉电阻可将集电极电压上拉至不同电压,使之高于或低于编码器工作电压(图 3)。

图 3:集电极输出可上拉至适当电压以连接至外部系统。(图片来源:CUI Inc.)

不过,这种接口也具有一些缺陷。许多现成的控制器都已内置了上拉电阻,而这些上拉电阻会消耗电流,即产生耗散功率。此外,当该电阻与寄生电容组成 RC 电路时,输出在高电压与低电压之间的转换速率将因此降低。转换斜率(图 4)即转换速率。

图 4:当输出在两种逻辑状态之间转换时,上拉电阻会显著降低输出电压转换速率。(图片来源:CUI Inc.)

通过降低转换速率,上拉电阻会显著降低编码器运行速度,从而降低增量编码器的分辨率。减小电阻值可以提高转换速率,但是当信号为低电平时,上拉电阻功耗的电流更大,耗散功率也更大。

推挽输出

推挽输出使用两个晶体管,而不是一个(图 5),因此可以弥补上述开集输出接口的缺陷。上部晶体管取代上拉电阻,导通时可将电压上拉至电源电压,由于电阻极小,因而转换速率较快。而输出信号为低电平时,晶体管关断,因此相较于开集电路,该有源上拉电路的耗散功率也相对较小,从而使电池供电设备的运行时间相对较长。

图 5:推挽输出(图片来源:CUI Inc.)

CUI 的 AMT 系列单端编码器都使用推挽输出,因此无需上拉电阻即可连接外部电路。除了提高速率和降低耗散功率外,推挽输出还可简化测试和原型开发。此外,AMT 编码器还具有 CMOS 输出。由于设备的高低电压各不相同,因此应参考规格书以确定如何转换输出电压。

差分线路驱动器输出

虽然使用推挽输出的编码器弥补了开集输出的一些缺陷,但两者都是单端输出。在布线距离较长的应用或存在电噪声和干扰的环境中,使用单端输出具有一定局限性。

布线距离较长时,信号幅度衰减,电容效应将减慢转换速率。由于单端信号的传输信号以地为参考,这类衰减就可能产生误差,从而导致系统性能下降。

此外,在电噪声环境中,不同幅度的干扰电压都将耦合到电缆上,从而导致单端系统的接收器错误地解码信号电压。

电缆长度超过一米时,CUI 建议使用差分信号。使用差分线路驱动器的编码器可产生两个输出信号:一个与原始信号相匹配,另一个与之完全相反,即互补信号。这两个信号之间的幅度差是原始单端信号的两倍,有助于克服电压降和电容引起的衰减问题(图 6)。

图 6:差分线路驱动器克服了信号衰减问题。(图片来源:CUI Inc.)

此外,由于两个信号均存在共模噪声,可以相互抵消,因此接收系统可忽略其影响(图 7)。由于噪声抑制能力相当出色,差分线路驱动器接口广泛用于工业和汽车应用。多种 CUI 编码器都提供差分线路驱动器输出选项,可用于要求严苛的应用。

图 7:差分接收器可忽略两个信号上同时存在的噪声。(图片来源:CUI Inc.)

综上所述,本文简要说明了编码器的三种输出类型及其相对优势,有助于工程师综合考量最佳功耗、可靠通信、适当的连接距离以及充分的抗噪性,从而为应用选择最佳设备。

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