Panelmonterade pulsgivare - Att förstå grunderna

Artikeln kommer att ge en djupare inblick i den elektrotekniska sidan av panelmonterade roterande pulsgivare. Enheterna är i huvudsak omvandlare som omvandlar rotationsrörelser till elektriska signaler för värdsystemet. Kodarens mekanism genererar pulser vid rotation, vilket gör att en styrenhet kan urskilja viktig information som riktning, position, antal eller hastighet.

Panelmonterade pulsgivare är viktiga inom en mängd olika branscher. De finns inom branscher som försvars- och flygindustri, medicinteknik, konsumentvaror, test/mätning och mycket mer. De panelmonterade pulsgivarnas mångsidighet gör att de kan användas i många olika tillämpningar, t.ex. cockpitreglage, studiomixrar och ljudutrustning, elektroniska laboratorier och instrumentuppsättningar, motordrivenheter osv. Tack vare sin mångsidighet är panelmonterade pulsgivare det ledande valet för att skapa exakta gränssnitt för styrning. Artikeln kommer att gå igenom den grundläggande funktionen hos panelmonterade roterande pulsgivare och belysa viktiga specifikationer och överväganden.

Grunderna inom panelmonterade pulsgivare

När det gäller roterande pulsgivare har panelmonterade pulsgivare helt enkelt fått sitt namn från det faktum att de är fysiskt monterade i paneler. Enheterna fungerar primärt som användargränssnitt, t.ex. volymknappen på en stereoanläggning. Deras roll är att ge användare möjlighet att reglera olika systemparametrar och agera som en länk mellan användaren och systemets processor.

Om man jämför panelmonterade pulsgivare med potentiometrar, en annan panelmonterad komponent med en liknande funktion för omvandling av vridning till en signal, får man fram tydliga fördelar. Panelmonterade pulsgivare har snävare tillverkningstoleranser, vilket medför ökad noggrannhet och konsekvens. Deras digitala utgångar är dessutom sömlöst anpassade till moderna digitala enheter, vilket eliminerar behovet av analog- till digitalomvandlare och därmed minskade kostnader och potentiella fel. Men för den som är nyfiken på potentiometrar innehåller Same Sky artikel "Den fullständiga guiden till potentiometrar" en omfattande genomgång av dessa likartade, men ändå olikartade komponenter.

Specifikationer och överväganden för panelmonterade pulsgivare

Flera viktiga specifikationer och överväganden förtjänar ytterligare uppmärksamhet när vi fördjupar oss i detaljerna kring panelmonterade roterande pulsgivare. PPR, eller pulser per varv, framstår som ett avgörande mått som kvantifierar pulsgivarens upplösning genom att ange det antal fyrkantvågspulser som genereras per 360-graders rotation (figur 1). Upplösningen kan även anges i CPR (steg per varv), som beräknas till PPR multiplicerat med 4, och motsvarar antalet förändringar av kvadraturtillståndet per varv. För en ingående förståelse av dessa mätvärden kan Same Sky artikel med titeln "Vad är det för skillnad på en inkrementell pulsgivares PPR, CPR, and LPR?" vara en värdefull resurs.

Bild 1: Pulser mäts som vågformer från en identisk punkt till nästa. (Bildkälla: Same Sky)

Spärrarna, som är en integrerad del, bidrar till återkopplingen till användaren genom att hörbart "klicka" på plats när axeln roterar. Spärrarna anges i klick per 360-graders rotation och förhindrar oavsiktlig vridning för att ge en taktil indikering vid specifika grader av axelrörelse.

Tryckknappsfunktionen tillför ytterligare en ingångssignal till pulsgivarens funktionalitet. Genom att trycka ned pulsgivarens axel aktiveras en enkel SPST-omkopplare. Denna funktion används ofta för att välja funktioner som ska manipuleras genom att vrida på kodningsvredet.

Roterande pulsgivare utnyttjar fyrkantsvågor med två kanaler som är förskjutna med 90 elektriska grader för att urskilja riktning. Den relativa fasförskjutningen mellan dessa kanaler gör det möjligt att detektera den primära kanalen, vilket ger en tillförlitlig indikering av rotationsriktningen (figur 2).

Figur 2: Detektering av den primära signalen gör det möjligt att övervaka om rotationen sker med- eller moturs. (Bildkälla: Same Sky)

I jakten på förbättrad upplösning väljer många tillämpningar förändringar i kvadraturtillståndet, där en cykel omfattar en övergång från låg till hög innan den går tillbaka till låg på båda kanalerna. Detta tillvägagångssätt ökar antalet steg per varv på ett effektivt sätt, vilket höjer pulsgivarens upplösning och precision vid spårning av rotationsrörelser. Det är en smart strategi för att få ut mer detaljerad information från varje varv, vilket optimerar pulsgivarens prestanda i olika tillämpningar.

Fig. 3: Sanningstabell för kvadratur. (Bildkälla: Same Sky)

För att ansluta panelmonterade pulsgivare till microcontrollers måste man skapa en krets där microcontrollern är strömkälla och erbjuder en väg till V+, medan pulsgivaren har en väg till jord. Detta samarbete bildar en komplett krets som möjliggör sömlös kommunikation mellan pulsgivaren och microcontrollern. Termen "öppen kollektor" används också synonymt med "sänken", vilket markerar att utgångstransistorns kollektor är utanför enheten. Det handlar om att skapa effektiva elektriska vägar för datautbyte.

Det är även viktigt att skilja på att microcontrollers använder olika metoder för att räkna:

1. Pulser på en kanal: Denna enkla metod tilldelar ett steg per puls, vilket förenklar räkningsprocessen i tillämpningar där en grundläggande räkning är tillräcklig.
2. Pulser på två kanaler: Genom att utnyttja båda kanalerna fördubblas antalet steg, vilket ger en mer detaljerad och exakt bild av pulsgivarens rörelse.
3. Förändringar av kvadraturtillstånd: Vid förändringar av kvadraturtillstånd utnyttjas de fyra stegen per cykel, vilket ger ännu högre upplösning och precision vid spårning av rotationsförflyttningar.

Mekanisk kontra optisk

I allmänhet arbetar panelmonterade pulsgivare med två huvudsakliga tekniker: mekanik och optik.

Mekaniska pulsgivare fungerar som en uppsättning omkopplare och är förlitar sig på ett kodhjul med kontakter som är jämnt fördelade längs dess ytterkant. Samtidigt fästs en stationär kontakt i pulsgivarens hölje (figur 4). När kodhjulet vrids sluts och bryts kontakten med kodhjulets kontakter sekventiellt, en i taget. Denna cykliska in- och urkoppling av kretsen ger upphov till spänningspulser, en mekanism som är grundläggande för omvandlingen av rotationsrörelser till elektriska signaler.

Bild 4: Inre funktion i en mekanisk pulsgivare. (Bildkälla: Same Sky)

Det är viktigt att betona att mekaniska pulsgivare, som i huvudsak fungerar som en uppsättning mekaniska omkopplare, kräver kretsar för skydd mot kontaktstuds och programmering för att garantera en användbar utgång. I ett perfekt scenario skulle en omkopplare ha tydliga på- och av-lägen, men i realiteten uppstår komplikationer. Omkopplare kan sväva eller studsa mellan dessa lägen, vilket leder till en förvrängd signal. Detta studsfenomen, som kallas kontaktstuds, kan felaktigt tolkas som extra pulser, vilket leder till felaktigheter i systemet.

För att mildra kontaktstudsarna används kretsar för att skydda mot kontaktstuds (figur 5). Denna krets är utformad för att "kvadrera" utgången och garantera att signalen representerar de avsedda på-/av-tillstånden på ett korrekt sätt, utan störningar från kontaktstudsar eller svävande effekter. Denna uppmärksamhet på signalintegritet är avgörande för tillförlitlig och exakt prestanda i samband med mekaniska pulsgivare.

Figur 5: Kretsar för skydd mot kontaktstuds gör det lättare att "kvadrera" utgången på en mekanisk pulsgivare. (Bildkälla: Same Sky)

Optiska pulsgivare består däremot av tre grundläggande komponenter: en ljuskälla, en ljusdetektor och ett kodhjul. Nedan följer en sammanställning av deras funktion:

1. Ljuskälla: Komponenten avger ljus.
2. Ljusdetektor: Detektorn är placerad mitt emot ljuskällan och känner av det utsända ljuset.
3. Kodhjul: Kodhjulet är placerat mellan ljuskällan och detektorn och har jämnt fördelade slitsar. Dessa slitsar släpper växelvis igenom ljus eller blockerar det.

Funktionscykeln innebär att ljuskällan lyser genom kodhjulets slitsar. Detektorn registrerar förändringar i ljusintensiteten baserat på om slitsarna släpper igenom eller blockerar ljuset. Interna kretsar aktiverar eller inaktiverar utgången beroende på om ljuset detekteras eller blockeras. Mekanismen gör det möjligt för optiska kodare att omvandla positionsinformation till elektriska signaler på ett effektivt sätt.

Bild 6: Inre funktion i en optisk pulsgivare. (Bildkälla: Same Sky)

För att sammanfatta denna jämförelse är mekaniska pulsgivare kostnadseffektiva och mångsidiga med ett brett spänningsområde. De behöver dock en krets för skydd mot kontaktstuds för en tillförlitlig signal och har en kortare livscykel. Å andra sidan är optiska pulsgivare i allmänhet dyrare men har en längre livscykel. De ger en renare utsignal utan att kräva någon krets för skydd mot kontaktstuds. I noggranna tillämpningar kan optiska pulsgivare dessutom erbjuda högre upplösning.

Sammanfattning

Panelmonterade pulsgivare kommer även fortsättningsvis att användas i olika användargränssnitt inom en rad olika branscher. En omfattande förståelse av tillgängliga pulsgivartekniker, viktiga specifikationer och designöverväganden är avgörande för ett optimalt val av enhet. Same Sky har ett stort utbud av både mekaniska och optiska panelmonterade pulsgivare som uppfyller praktiskt taget alla konstruktionsbehov. Förutom de panelmonterade pulsgivarna har Same Sky AMT-rotationspulsgivare baserade på kapacitan, som har en noggrannhet och hållbarhet som inte finns i andra pulsgivartekniker.