Att förstå kodares utsignaler för att underlätta optimala val av enheter

Elektroniska motorstyrenheter kräver vanligtvis en kodare för att känna av rotorns position och/eller hastighet. För att välja en lämplig enhet måste en tekniker utvärdera flera aspekter som inleds med om tillämpningen kräver en inkrementell, absolut eller kommutationsbaserad kodare. Efter att ha fattat det här beslutet måste de överväga ytterligare parametrar inklusive upplösning, monteringsmönster, motoraxelns storlek med mera.

Att välja den lämpligaste signaltypen för utgången är inte alltid självklart och glöms ofta bort. De tre typerna som vanligtvis används är öppen kollektor, push-pull och differentiella linjedrivkretsar. Artikeln förklarar respektive typ för att hjälpa tekniker att välja en lämplig enhet baserat på tillämpningskraven.

Grundläggande principer

Varje typ av utsignal från kodaren är digital, oavsett om det är en fyrkantsvåg från en inkrementell kodare, utdata i form av motorns poler från en kommutationskodare eller en seriell utgång som använder ett visst protokoll. Signalerna i sig växlar alltid mellan nära 0 och nära 5 V, för 5 V-kodare, motsvarande en logisk nolla eller 1:a. En inkrementell kodares utsignal är en grundläggande fyrkantsvåg som visas i figur 1.

Figur 1: Generisk fyrkantsvåg från en digital kodare. (Bildkälla: Same Sky)

Öppen kollektorutgång

En öppen kollektorutgång (figur 2) är vanligast bland roterande kodare. Det innebär att kollektorstiftet på transistorn lämnas öppet eller frånkopplat när insignalen är hög. När utsignalen måste vara låg drivs den till jord.

Figur 2: Diagram över utgångarnas schema med öppen kollektor. (Bildkälla: Same Sky)

Eftersom utgången kopplas från när signalen är hög behövs en extern pullup-resistor för att se till att kollektorspänningen når önskad nivå för att indikera en logisk 1:a. Det ger tekniker flexibilitet att sammankoppla system som använder olika spänningar. Kollektorn kan drivas upp till en högre eller lägre spänning än kodarens driftspänning (figur 3).

Figur 3: Kollektorns utsignal kan drivas till en lämplig spänning för att kopplas till ett externt system. (Bildkälla: Same Sky)

Å andra sidan har det här gränssnittet några nackdelar. Pullup-resistorer, som redan är inbyggda i många färdiga styrenheter, drar en begränsad ström och förlorar därmed effekt. Dessutom, kan resistansen, i kombination med parasitisk kapacitans i kretsen, fördröja utsignalens växling mellan hög och låg spänning. Växlingens flanker (figur 4) kallas stig/falltid.

Figur 4: Pullup-resistorn fördröjer effektivt växlingen för utgångens spänning när utgången växlar mellan lägen. (Bildkälla: Same Sky)

Genom att sänka stig/falltiden begränsar pullup-resistorn effektivt kodarens drifthastighet, vilket kan leda till minskad upplösning i en inkrementell kodare. Att minska resistansvärdet kan öka växlingshastigheten, men det ökar även effektförlusten genom att dra mer ström när signalen är låg.

Push-pull-utgångar

En push-pull-utgång med två transistorer istället för en (figur 5) kan övervinna nackdelen med ett gränssnitt med öppen kollektor som diskuteras ovan. Den övre transistorn ersätter pullup-resistorn och när den är på drar den upp spänningen till matningen med effektiv minimal resistans, vilket garanterar en högre stig/falltid. Eftersom transistorn stängs av när utsignalen är låg ger denna aktiva pullup även mindre effektförlust än kretsen med öppen kollektor. Det kan leda till mycket bättre drifttid för batteridrivna enheter.

Figur 5: Standardkonstruktion push-pull (Bildkälla: CUI Devices)

Same Sky AMT-familjen med enkelbalanserad kodare innehåller alla push-pull-utgångar och kräver därför inga pull-up-resistorer som gränssnitt till externa kretsar. Utöver att förbättra hastigheten och minska effektförlusten förenklar dessutom dessa push-pull-utgångar även provning och prototyparbete. AMT-kodarna har även CMOS-utgångar. Eftersom de höga och låga spänningsvärdena varierar mellan enheter bör du titta i databladet för att avgöra hur spänningarna i utgången ska tolkas.

Utgångar på differentiella linjedrivkretsar

Trots att kodare med push-pull-utgångar övervinner några nackdelar med typen öppen kollektor är båda enkelbalanserade utgångar med begränsningar när de används med långa kabelavstånd eller i en miljö som innehåller stora mängder elektriska störningar.

Vid långa kabelavstånd minskar signalens amplitud och kapacitiva effekter fördröjer växlingarna. Med en enkelbalanserad signal där den sända signalen refereras till jord kan den här försämringen orsaka fel som ger dålig systemprestanda.

I miljöer med mycket elektriska störningar kan oönskade spänningar av varierande storlek dessutom kopplas till de kablar som får mottagaren i ett enkelbalanserat system att avkoda signalspänningarna felaktigt.

Same Sky rekommenderar differentiell signalering om kabellängden överstiger en meter. En kodare med en differentiell linjedrivkrets genereras två utsignaler. Den ena matchar ursprungssignalen medan den andra är en exakt motsatt eller kompletterande signal. Storleken hos skillnaden mellan de båda är dubbelt så hög som den ursprungliga enkelbalanserade signalen, vilket gör det lättare att hantera försämringen som orsakas av spänningsfallet och kapacitansen (figur 6).

Figur 6: Differentiell linjedrivkrets som hanterar signalförsämringen. (Bildkälla: Same Sky)

Dessutom kan common-mode-störningar i båda signalerna avlägsnas genom subtraktion och därigenom ignoreras av det mottagande systemet (figur 7). Drivkretsar för differentiell signalering används mycket inom industri- och fordonstillämpningar tack vare deras utmärkta egenskaper för att minska störningar. Många modeller av kodare från Same Sky finns med differentiell utgång som tillval för användning i krävande tillämpningar.

Figur 7: Den differentiella mottagaren ignorerar störningar i båda signalerna. (Bildkälla: Same Sky)

Generellt bör den här korta förklaringen av kodarens utgångstyper och deras relativa styrka hjälpa tekniker att välja den bästa enheten för sin tillämpning, genom att kombinera optimal effektförbrukning med tillförlitlig kommunikation via det aktuella anslutningsavståndet och tillräcklig störningsimmunitet.