Ein Vergleich der üblichen Encoder-Ausgangssignale

Sobald sie wissen, welchen Typ sie benötigen, gibt es eine lange Liste weiterer Parameter, die berücksichtigt werden müssen, wie Auflösung, Montagemuster, Motorwellen-Durchmesser und mehr. Außerdem – und manchmal übersehen – ist der benötigte Encoder-Ausgangssignaltyp. Die Antwort darauf ist nicht immer eindeutig, daher werden wir in diesem Beitrag die drei Haupttypen von Ausgängen, die bei so gut wie jedem Encoder zu finden sind, genauer betrachten: Open-Collector, Push-Pull und Differential Line Driver. Diese drei Ausgangstypen beschreiben die physische Ebene der digitalen Kommunikation.

Egal, ob es sich um den Quadraturausgang eines inkrementellen Encoders, den Motorpol-Ausgang eines Kommutierungsencoders oder eine serielle Schnittstelle handelt, die ein spezielles Protokoll verwendet – all diese Signale sind digital und haben hohe und niedrige Pegel. Das bedeutet, dass bei einem 5-V-Encoder die Signale immer zwischen 0 V (Masse), was niedrig oder ein binäres 0 ist, und 5 V, was hoch oder ein binäres 1 ist, wechseln. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf die Ausgänge von inkrementellen Encodern, die eine einfache Rechteckwelle liefern.

Open-Collector-Ausgänge

Die meisten Drehgeber auf dem Markt verfügen über einen Open-Collector-Ausgang. Das bedeutet, dass der Ausgang eines digitalen Signals auf Masse gezogen werden kann, und wenn das Signal hoch sein soll, wird der Ausgang einfach getrennt. Der Ausgang wird Open-Collector genannt, weil die Kollektorleitung des Transistors offen oder getrennt bleibt, wenn das Eingangssignal hoch ist.

Um mit diesem Gerät zu interagieren, wird ein externer Widerstand benötigt, um den Kollektor auf das gewünschte hohe Spannungsniveau "hochzuziehen". Dieser Ausgangstyp ist nützlich, wenn der Ingenieur versucht, mit einem System zu interagieren, das unterschiedliche Spannungspegel aufweist. Der Kollektor könnte hochgezogen werden, um niedrigere oder höhere Spannungspegel zu erreichen, als der Encoder verwendet.

Die Nachteile dieser Schnittstelle überwiegen jedoch oft gegenüber der Möglichkeit, Encoder-Spannungspegel zu ändern. Das Hinzufügen externer Widerstände zu Open-Collector-Encodern ist nicht übermäßig schwierig, und viele handelsübliche Controller haben sie bereits eingebaut. Allerdings verbrauchen diese externen Widerstände Strom für ihren Betrieb und beeinflussen das Ausgangssignal, indem sie dessen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Frequenz verändern. Betrachten wir erneut die Rechteckwelle eines inkrementellen Encoders, dieses Mal jedoch extrem nah an einer ihrer Zustandsänderungen herangezoomt. Wir neigen dazu, uns unsere digitalen Signale als sofort von niedrig nach hoch wechselnd vorzustellen, aber natürlich wissen wir, dass alles Zeit benötigt. Wir bezeichnen diese Zeitverzögerung als Slew-Rate.

Im Fall von Open-Collector-Ausgängen wird die Anstiegsgeschwindigkeit durch den Widerstand des Pull-Up-Widerstands beeinflusst, da dieser Widerstand die Rolle des R in einer RC-Zeitschaltung spielt. Niedrigere Anstiegsgeschwindigkeiten bedeuten eine reduzierte Betriebsgeschwindigkeit des Encoders (und/oder eine reduzierte Auflösung im Fall von inkrementellen Encodern). Die Anstiegsgeschwindigkeit kann durch Widerstände mit niedrigeren Werten (stärkere Pull-Ups) verbessert werden, aber dieser Kompromiss bedeutet, dass das System mehr Energie verbraucht, da durch den Pull-Up-Widerstand mehr Strom fließen muss, wenn das Signal niedrig ist.

Push-Pull-Ausgänge

Die beste Antwort auf die Nachteile einer Open-Collector-Schnittstelle ist eine Push-Pull-Konfiguration. In der Push-Pull-Konfiguration werden zwei Transistoren anstelle von nur einem verwendet. Der obere Transistor fungiert als aktiver Pull-up, während der untere Transistor denselben Zweck erfüllt wie der Transistor in einer Open-Collector-Konfiguration. Push-Pull-Konfigurationen ermöglichen schnelle digitale Übergänge mit höheren Slew-Raten, als sie mit Widerständen zur Konditionierung der Signalleitungen erreichbar sind. Da keine Widerstände erforderlich sind, um Leistung zu dissipieren, weist dieser Ausgangstyp auch einen geringeren Energieverbrauch auf. Dies macht die Push-Pull-Ausgabe zu einer deutlich besseren Option für batteriebetriebene Anwendungen, bei denen die verfügbare Leistung von entscheidender Bedeutung ist.

Alle Single-Ended-AMT-Encoder von Same Sky verwenden den Push-Pull-Ausgangstyp. Für die Schnittstellen zu den Ausgängen der AMT-Encoder-Modelle sind keine externen Pull-ups erforderlich. Dadurch wird das Testen und Prototyping erheblich erleichtert, da weniger Hilfsmittel benötigt werden, um direkt loszulegen. Es ist wichtig zu beachten, dass der Ausgang des AMT-Encoders im Datenblatt als CMOS referenziert wird. Dies weist lediglich darauf hin, wie das Schnittstellengerät die hohen und niedrigen Spannungspegel, die es vom Push-Pull-Ausgang empfängt, interpretieren sollte. Diese hohen und niedrigen Werte variieren zwischen den Geräten, daher sollte das Datenblatt für das gewünschte Produkt konsultiert werden.

Differentielle Leitungstreiber-Ausgänge

Während Push-Pull-Encoder hinsichtlich ihrer Leistung gegenüber ihren Vorgängern mit Open-Collector-Ausgängen einen Schritt nach vorne machen, sind sie aufgrund ihrer einseitigen Ausgänge nicht unbedingt die richtige Wahl für jedes Projekt. Wenn eine Anwendung eine lange Kabellänge erfordert oder die verwendeten Kabel starken elektrischen Störungen und Interferenzen ausgesetzt sind, ist ein Encoder mit einem differenziellen Leitungsantriebsausgang die beste Wahl. Differenzielle Ausgänge werden mit derselben Transistorkonfiguration wie Push-Pull-Ausgänge erzeugt, aber anstelle eines einzigen Signals werden zwei Signale erzeugt. Diese Signale werden als Differenzpaar bezeichnet; eines der Signale entspricht dem ursprünglichen Signal, während das andere das genaue Gegenteil des ursprünglichen Signals ist, weshalb es manchmal als komplementäres Signal bezeichnet wird.

Bei einem Single-Ended-Ausgang bezieht sich der Empfänger stets auf das übertragene Signal mit Bezug auf eine gemeinsame Masse. Allerdings treten bei langen Kabelstrecken, bei denen die Spannungen tendenziell absinken und die Flankensteilheit abnimmt, häufig Signalfehler auf. In einer differentiellen Anwendung generiert das Hostgerät das ursprüngliche Single-Ended-Signal, welches dann an einen Differenzialsender weitergeleitet wird. Dieser Sender erzeugt das Differenzialpaar, das über die Verkabelung gesendet wird. Mit zwei generierten Signalen bezieht sich der Empfänger nicht mehr auf den Spannungspegel in Bezug auf Masse, sondern auf die Signale zueinander. Das bedeutet, dass der Empfänger nicht nach spezifischen Spannungspegeln sucht, sondern stets die Differenz zwischen den beiden Signalen betrachtet. Der Differenzialempfänger rekonstruiert anschließend das Signalpaar zurück in ein einzelnes Single-Ended-Signal, das vom Hostgerät mithilfe der erforderlichen Logikpegel interpretiert werden kann. Diese Art von Schnittstelle ermöglicht es auch Geräten mit unterschiedlichen Spannungspegeln, miteinander zu kommunizieren, indem sie über die differentiellen Transceiver verbunden werden. All dies arbeitet zusammen, um die Signalverschlechterung zu überwinden, die bei einer Single-Ended-Anwendung über lange Kabelstrecken aufgetreten wäre.

Signalverschlechterung ist jedoch nicht das einzige Problem, das bei langen Kabelstrecken auftritt. Je länger die Verkabelung in einem System ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass elektrisches Rauschen und Interferenzen auf die Kabel gelangen und letztendlich ins elektrische System eindringen. Wenn Rauschen auf die Verkabelung koppelt, zeigt es sich als Spannungen unterschiedlicher Größenordnungen. In Systemen mit Encodern, die über einen Single-Ended-Ausgang verfügen, kann dies dazu führen, dass die empfangende Seite des Systems falsche hohe und niedrige Logikwerte liest, was zu fehlerhaften Positionsdaten führt. Das ist ein enormes Problem! Glücklicherweise sind Schnittstellen mit differenziellen Leitungstreibern gut dafür geeignet, mit diesem Rauschen umzugehen. Same Sky empfiehlt in der Regel, bei Kabellängen über 1 Meter einen differenziellen Leitungstreiber zu verwenden.

Beim Einsatz von differentiellen Leitungsverstärkern ist verdrilltes Paar-Kabel erforderlich. Verdrilltes Paar-Kabel besteht aus den Signalen A und A-, die miteinander verzwirnt sind und über eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen pro gegebener Länge verfügen. Bei dieser Art von Kabel wird das auf einem Signal draht erzeugte Rauschen gleichermaßen auf den gepaarten Draht übertragen. Wenn ein Spannungssprung auf Signal A auftritt, wird er ebenso auf Signal A- angewendet. Da der differentielle Empfänger die Signale voneinander subtrahiert, um das rekonstruierte Signal zu erhalten, ignoriert er das Rauschen, das gleichermaßen auf beiden Leitungen auftritt. Die Fähigkeit des differentiellen Empfängers, Spannungen, die auf beiden Signalleitungen gleich sind, zu ignorieren, wird als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur Rauschunterdrückung sind Schnittstellen mit differentiellen Leitungsverstärkern in industriellen und automobilen Anwendungen weit verbreitet.

Durch das Verständnis der verschiedenen Encoder-Ausgabearten sowie ihrer Vor- und Nachteile kann ein Ingenieur den optimalen Ausgabetyp für seine Anwendung besser auswählen. AMT-Encoder von Same Sky werden alle mit Push-Pull-Ausgängen angeboten, die einen niedrigen Energieverbrauch und eine einfache Installation ermöglichen. Differential-Line-Driver-Optionen sind ebenfalls in vielen Modellen für anspruchsvollere Anwendungen erhältlich.