了解编码器输出信号有助于选择最佳设备

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。