了解編碼器輸出信號(hào)有助于選擇最佳設(shè)備

電子電機(jī)控制器常常需要接入編碼器以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)速。要想選擇合適的設(shè)備，工程師就必須對(duì)若干方面進(jìn)行評(píng)估。第一步則是判斷應(yīng)用需要的是增量編碼器、絕對(duì)編碼器還是換向編碼器。一經(jīng)確定，就必須考慮分辨率、安裝方式、電機(jī)軸尺寸等其他參數(shù)。

最合適的輸出信號(hào)類型并不總是那么明顯，而且往往受到忽視。最常見的三種類型是開集輸出、推挽輸出和差分線路驅(qū)動(dòng)器輸出。本文將分別介紹這三種輸出類型，幫助工程師根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的設(shè)備。

首要原則

無(wú)論是增量編碼器的正交輸出，換向編碼器的電機(jī)極輸出，還是使用特定協(xié)議的串行輸出，這些編碼器輸出都是數(shù)字信號(hào)。因此，5 V 編碼器的信號(hào)會(huì)一直在近似 0 V 與 5 V 之間切換，這兩個(gè)電壓分別對(duì)應(yīng)邏輯 0 和 1。增量編碼器的輸出是基本方波，如圖 1 所示。

圖 1：數(shù)字編碼器的通用方波輸出。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

開集輸出

旋轉(zhuǎn)編碼器大多采用開集輸出（圖 2），即輸入信號(hào)為高電平時(shí)，晶體管的集電極引腳保持開路或斷開。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，輸出直接接地。

圖 2：開集輸出原理圖。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

由于輸入信號(hào)為高電平時(shí)輸出斷開，需要使用外部“上拉”電阻，才能確保集電極電壓達(dá)到所需的電平，即邏輯 1。因此，工程師在連接不同電壓的系統(tǒng)時(shí)就更具靈活性：通過(guò)上拉電阻可將集電極電壓上拉至不同電壓，使之高于或低于編碼器工作電壓（圖 3）。

圖 3：集電極輸出可上拉至適當(dāng)電壓以連接至外部系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

不過(guò)，這種接口也具有一些缺陷。許多現(xiàn)成的控制器都已內(nèi)置了上拉電阻，而這些上拉電阻會(huì)消耗電流，即產(chǎn)生耗散功率。此外，當(dāng)該電阻與寄生電容組成 RC 電路時(shí)，輸出在高電壓與低電壓之間的轉(zhuǎn)換速率將因此降低。轉(zhuǎn)換斜率（圖 4）即轉(zhuǎn)換速率。

圖 4：當(dāng)輸出在兩種邏輯狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，上拉電阻會(huì)顯著降低輸出電壓轉(zhuǎn)換速率。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

通過(guò)降低轉(zhuǎn)換速率，上拉電阻會(huì)顯著降低編碼器運(yùn)行速度，從而降低增量編碼器的分辨率。減小電阻值可以提高轉(zhuǎn)換速率，但是當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，上拉電阻功耗的電流更大，耗散功率也更大。

推挽輸出

推挽輸出使用兩個(gè)晶體管，而不是一個(gè)（圖 5），因此可以彌補(bǔ)上述開集輸出接口的缺陷。上部晶體管取代上拉電阻，導(dǎo)通時(shí)可將電壓上拉至電源電壓，由于電阻極小，因而轉(zhuǎn)換速率較快。而輸出信號(hào)為低電平時(shí)，晶體管關(guān)斷，因此相較于開集電路，該有源上拉電路的耗散功率也相對(duì)較小，從而使電池供電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖 5：推挽輸出（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

CUI 的AMT 系列單端編碼器都使用推挽輸出，因此無(wú)需上拉電阻即可連接外部電路。除了提高速率和降低耗散功率外，推挽輸出還可簡(jiǎn)化測(cè)試和原型開發(fā)。此外，AMT 編碼器還具有 CMOS 輸出。由于設(shè)備的高低電壓各不相同，因此應(yīng)參考規(guī)格書以確定如何轉(zhuǎn)換輸出電壓。

差分線路驅(qū)動(dòng)器輸出

雖然使用推挽輸出的編碼器彌補(bǔ)了開集輸出的一些缺陷，但兩者都是單端輸出。在布線距離較長(zhǎng)的應(yīng)用或存在電噪聲和干擾的環(huán)境中，使用單端輸出具有一定局限性。

布線距離較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)幅度衰減，電容效應(yīng)將減慢轉(zhuǎn)換速率。由于單端信號(hào)的傳輸信號(hào)以地為參考，這類衰減就可能產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

此外，在電噪聲環(huán)境中，不同幅度的干擾電壓都將耦合到電纜上，從而導(dǎo)致單端系統(tǒng)的接收器錯(cuò)誤地解碼信號(hào)電壓。

電纜長(zhǎng)度超過(guò)一米時(shí)，CUI 建議使用差分信號(hào)。使用差分線路驅(qū)動(dòng)器的編碼器可產(chǎn)生兩個(gè)輸出信號(hào)：一個(gè)與原始信號(hào)相匹配，另一個(gè)與之完全相反，即互補(bǔ)信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)之間的幅度差是原始單端信號(hào)的兩倍，有助于克服電壓降和電容引起的衰減問(wèn)題（圖 6）。

圖 6：差分線路驅(qū)動(dòng)器克服了信號(hào)衰減問(wèn)題。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

此外，由于兩個(gè)信號(hào)均存在共模噪聲，可以相互抵消，因此接收系統(tǒng)可忽略其影響（圖 7）。由于噪聲抑制能力相當(dāng)出色，差分線路驅(qū)動(dòng)器接口廣泛用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。多種 CUI 編碼器都提供差分線路驅(qū)動(dòng)器輸出選項(xiàng)，可用于要求嚴(yán)苛的應(yīng)用。

圖 7：差分接收器可忽略兩個(gè)信號(hào)上同時(shí)存在的噪聲。（圖片來(lái)源：CUI Inc.）

綜上所述，本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了編碼器的三種輸出類型及其相對(duì)優(yōu)勢(shì)，有助于工程師綜合考量最佳功耗、可靠通信、適當(dāng)?shù)倪B接距離以及充分的抗噪性，從而為應(yīng)用選擇最佳設(shè)備。