探索AEDR - 9940：高性能三通道反射式增量编码器的奥秘

在电子工程师的日常设计工作中，编码器是一个关键的组件，它在众多领域都发挥着重要作用。今天，我们就来深入探讨一下博通（Broadcom）的AEDR - 9940三通道反射式增量编码器，看看它有哪些独特之处。

文件下载：Broadcom HEDS-9940EVB 评估板.pdf

一、产品概述

AEDR - 9940是一款三通道反射式光学编码器，具有可选择和可编程的特性，能够提供三通道数字或模拟差分A、B和I输出。它有模拟和数字两种编码器模式。在模拟模式下，它具备三通道差分模拟输出（Sine +、Sine -；Cos +、Cos -；I +、I -），可直接与外部插值器接口；在数字模式下，则提供两通道（AB）正交数字输出和第三通道数字索引输出，并且输出与TTL兼容，能方便地与大多数信号处理电路集成，为现有系统的设计带来了极大的灵活性。

该编码器的工作温度范围为 - 40°C至115°C，具有高编码分辨率，达到198.4375 LPI（线/英寸）或7.8125 LP mm（线/毫米）或0.128 mm（间距），适用于商业、工业和汽车等多种终端应用。其小巧的尺寸为4.0 mm（L）×4.0 mm（W）×0.7 mm（H），还配备了半透明保护化合物，非常适合对尺寸和空间要求较高的微型商业应用。

二、应用领域

AEDR - 9940的应用范围十分广泛，涵盖了闭环步进电机、小型电机和执行器、工业打印机、机器人、读卡器、PTZ相机、便携式医疗设备、验光设备以及线性平台等领域。不过需要注意的是，该产品并非专门为特定设备设计或制造，客户需要自行确定其是否适用于预期应用，并承担相关使用责任。

三、产品特性

输出选项丰富

• 模拟输出：提供三通道单端和差分模拟输出，以及模拟或数字索引输出。
• 数字输出：三通道差分或TTL兼容，两通道正交（AB）数字输出用于方向感测，第三通道索引（I）数字输出。

插值器选择多样

内置了从1X到6X、8X、9X、10X、12X、16X、20X、25X、32X、50X、64X、80X、100X、128X、160X、256X、320X、640X到1000X的多种插值器，还可通过SPI对插值器进行编程，范围从1X到1024X。

其他特性

采用表面贴装无引脚封装，尺寸为4.0 mm（L）×4.0 mm（W）×0.7 mm（H）；工作电压支持3.3V和5.0V电源；内置LED电流调节功能。

四、参数定义

数字参数

参数	符号	定义
计数	N	码盘每转的条和窗口对的数量或计数（CPR）
周期	C	360电气度（°e），一个条和窗口对。一个轴旋转为360机械度，N个周期
周期误差	AC	周期均匀性的指示。产生一个电周期的观察轴角度与一转的1/N标称角度增量之间的差异
脉冲宽度（占空比）误差	AP	脉冲宽度与其理想值180e的电气度偏差
状态	S	通道A输出的过渡与通道B输出的相邻过渡之间的电气度数。每个周期有四个状态，每个标称90°e
相位	Φ	通道A高电平状态中心与通道B高电平状态中心之间的电气度数。对于正交输出，该值标称90°e
光学半径	RoP	从码盘旋转中心到编码器模块光学中心（OC）的距离
索引脉冲宽度	Po	一个完整轴旋转期间索引高电平的电气度数

模拟参数

参数	符号	定义
模拟峰 - 峰值	Vpp	模拟信号的峰 - 峰信号幅度（V）
参考电压	Vref	模拟信号峰 - 峰中点到零电压点的偏移。Vref = Vcc/2
模拟峰值电压/谷值电压	Vp	模拟信号的峰值/谷值（V）（单边读数）
模拟最小电压	Vmin	模拟信号的深度值（V）（最小读数V）。Vmin = Vp - Vpp
模拟索引Vbias（delta）	ΔVb	索引的Vbias = + Vmin - I - Vmin的绝对差值。ΔVb的最小值为200 mV
相移	θ	两个模拟信号之间的相位值（°e）。单端模式下，余弦领先正弦90°e；差分模式下，Cosine +领先Cosine - 180°e（或Sine - 滞后Sine + 180°e）

五、绝对最大额定值

参数	数值
存储温度，Ts	- 40°C至125°C
工作温度，TA	- 40°C至115°C
电源电压，Vcc	5.5V

需要注意的是，如果超过最大额定值，编码器的正常运行将无法得到保证。同时，暴露在强光下（如闪光灯或聚光灯）可能会对设备造成永久性损坏，在处理编码器时还需采取防静电放电措施，以避免ESD导致的损坏或性能下降。

六、推荐工作条件

电源电压

支持3.0 - 3.6V（典型3.3V，纹波 < 100 mVpp，Vcc = VDD）和4.5 - 5.5V（典型5.0V）两种电源。

电流消耗

Icc典型值为45 mA，具体取决于空间位置和旋转速度。

引脚电流

所有I/O输出的引脚电流范围为 - 20 mA至20 mA。

最大输出频率

• 外部模式选择：不同插值倍数下的最大输出频率不同，如1X插值时为0.25 MHz，8X插值时为2.00 MHz等。
• SPI可编程：插值 > 32X时，最大输出频率为4.00 MHz。

  其他参数

  包括切向不对准（±0.35 mm，与CPR有关）、径向不对准码盘间隙、镜面反射率、三态电压阈值等都有相应的推荐值。

七、上电行为

当AEDR - 9940上电时，数字输出A、B和索引将处于空闲状态，直到A或B数字信号发生切换。这个阶段也称为启动阶段，编码器处于识别模式，用于验证逻辑和码盘位置。

八、编码器引脚排列

AEDR - 9940共有25个引脚，每个引脚都有其特定的功能，如CH A +可作为数字A +或模拟Sine +，CAL用于自动校准等。需要注意的是，部分引脚（如N.C.）为无连接引脚，所有角焊盘（标注为(25)）也无需连接。

九、选择选项 - 内置插值因子

通过配置选择引脚，用户可以在不通过SPI通信的情况下，从1X到1000X选择插值因子，同时还可以进行索引选择，不同的选择组合对应着不同的插值和索引模式。

十、可编程插值因子

编码器可通过SPI进行编程，插值因子范围从1X到1024X。具体编程步骤包括配置外部选择为SPI模式、设置输出使能等，还涉及SPI通信的引脚排列、读写时序图、解锁序列、程序内存编程以及插值设置等内容。

十一、电源引脚和布线推荐

VDDA和VDD电源以及各自的接地（VSSA和VSSD）应分开连接。推荐使用一对2.2 - μF和0.1 - μF的电容器作为VDD和VDDA走线的旁路电容，将它们尽可能靠近编码器ASIC封装并放置在电源和接地引脚之间；设计单独的VDD和VDDA走线，并尽量减小走线或电缆长度。同时，要确保VDDA和VDD电压电平相同，VSSA和VSS连接在一起，LEDERR和CAL_STAT引脚为编码器状态输出，不建议直接用于驱动LED，若不使用可留空，“CAL”引脚应放置一个弱下拉电阻（如4.7 - kΩ）。

十二、自动校准过程

AEDR - 9940具有内置的自动校准过程，可在上电时通过将CAL焊盘（引脚5）短接到VDDA（或VDD）来触发。校准的目的是将索引信号的中心与通道B信号的中心对齐，以优化编码器ASIC的内部设置，提高可靠性和性能。即使在编码器组装后首次上电时A、B和I信号看起来正常，也建议进行自动校准。

自动校准步骤

1. 将电机旋转速度设置在1000 - 2000 rpm之间。
2. 使用高值电阻（如4.7 kΩ或5.6 kΩ）将CAL焊盘短接到VDDA或VDD线。
3. 给编码器上电，触发ASIC开始自动校准过程。
4. 等待至少5秒，观察CAL_STAT引脚，校准开始时该引脚会开始脉冲，校准完成后将保持高电平；若校准失败，CAL_STAT将继续脉冲。
5. 移除CAL与VDDA或VDD之间的短接，进行一次电源循环，编码器ASIC将正常工作。

十三、信号特性

数字信号特性

以码盘 $R_{OP}$ @ 12.73 mm、625 CPR为例，不同插值值下的周期误差、脉冲宽度（占空比）误差、相位误差、状态误差以及索引脉冲宽度等都有相应的典型值。不过需要注意的是，这些典型值是基于工厂设置条件在每个插值的最大输出频率下的平均值，编码器的最佳性能还取决于电机和系统的设置条件。

电气特性

在25°C的推荐工作条件下，通道A和B信号的高电平输出电压、低电平输出电压、每通道输出电流、上升时间和下降时间等都有相应的指标要求。

十四、码盘和码条设计

码盘设计

码盘的窗口轨道为反射表面，条形轨道为不透明表面。增量窗口/条形轨道为梯形，数量取决于CPR，且增量窗口/条形宽度相同。增量窗口轨道和索引窗口轨道之间存在偏移F，索引窗口轨道为矩形，宽度为0.04988 mm。文档中还给出了具体的尺寸计算公式和设计示例。

码条设计

增量/索引窗口轨道为反射表面，增量条形轨道为不透明表面。窗口宽度用Wwindow表示，条形宽度用Wbar表示，所有窗口和条形宽度相同，增量窗口轨道和索引窗口轨道之间也存在偏移F。同样，文档中给出了相关的尺寸计算公式。

多索引脉冲码条设计

对于伪绝对编码器应用，可以在码盘或码条中设计多个索引脉冲。索引间距必须是增量间距的整数倍，不同应用场景下的整数倍数要求不同，如线性应用为4，旋转应用中CPR > 512时为4等。

十五、其他信息

封装和PCB设计

AEDR - 9940采用特定的封装，文档提供了封装外形图和推荐的PCB焊盘图案，所有尺寸单位为mm，公差为x.xx ±0.05 mm。

编码器放置和方向

编码器的发射器和探测器芯片与码盘窗口/条形方向平行，编码器封装安装在码盘上方并朝下。编码器封装的光学中心必须与码盘的 $R_{OP}$ 相切对齐，最佳间隙设置为1.35 mm，范围为0.85 mm至2.35 mm（基于625 CPR）。当码盘逆时针旋转时，通道A领先通道B，反之亦然。

湿度敏感度

该编码器封装的湿度敏感度等级为3（MSL 3），在处理这种对湿度敏感的产品时需要采取预防措施，以确保产品的可靠性。在使用前，未开封的防潮袋（MBB）可在 < 40°C/90% RH条件下存储12个月，建议在组装前再打开。打开MBB后，要在168小时内完成SMT回流焊接，未完成的卷轴需在 < 5% RH条件下存储和密封。如果湿度指示卡（HIC）读数在23 ±5°C时 > 10% 或编码器在打开防潮袋后的存放时间超过168小时，则需要进行烘烤，推荐的烘烤条件为60 ±5°C持续20小时（带盘包装）或125 ±5°C持续8小时（散装单位）。

订购信息

提供了不同包装数量的AEDR - 9940产品型号，如AEDR - 9940 - 100（1000件）和AEDR - 9940 - 102（100件），还包括相关的评估板和SPI编程套件等信息。

总的来说，AEDR - 9940是一款性能出色、功能丰富的编码器，在设计过程中，电子工程师需要充分了解其各项特性和参数，根据具体应用需求进行合理选型和设计，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用编码器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。