Una comparación de las señales de salida comunes de los encoders

Una vez que saben qué tipo necesitan, hay una extensa lista de otros parámetros a considerar, como: resolución, patrón de montaje, tamaño del eje del motor y más. Además, y a veces pasado por alto, está el tipo de señal de salida del codificador necesario. La respuesta no siempre es clara, por lo que en esta publicación revisaremos los tres tipos principales de salidas que se ven en casi cualquier codificador: colector abierto, push-pull y controlador de línea diferencial. Estos tres tipos de salida describen la capa física de comunicación digital.

Ya sea la salida en cuadratura de un codificador incremental, la salida de polos de motor de un codificador de conmutación, o una interfaz serial que utiliza un protocolo específico, todas estas señales son digitales y tienen estados altos y bajos. Esto significa que para un codificador de 5 V, las señales siempre cambiarán entre 0 V (tierra) que es bajo o un 0 binario, y 5 V que es alto o un 1 binario. Para esta publicación nos centraremos en las salidas de codificadores incrementales que entregan una onda cuadrada básica.

Salidas colector abierto

La mayoría de los codificadores rotativos en el mercado tendrán una salida de colector abierto. Esto significa que la salida de una señal digital puede ser llevada a bajo a tierra, y cuando la señal se supone que debe estar en alto, la salida simplemente se desconecta. La salida se denomina colector abierto porque el pin del colector en el transistor queda abierto, o desconectado, cuando la señal de entrada está en alto.

Para interactuar con este dispositivo, se requiere una resistencia externa para "polarizar" el colector al nivel de alta tensión deseado. Este es un tipo de salida útil si el ingeniero está intentando interactuar con un sistema que tiene diferentes niveles de voltaje. El colector podría ser polarizado para alcanzar niveles de voltaje más bajos o más altos que los del codificador.

Sin embargo, las desventajas de esta interfaz a menudo superan la capacidad de cambiar los niveles de voltaje del codificador. Agregar resistores externos a los codificadores de colector abierto no es abrumadoramente difícil de hacer, y muchos controladores disponibles en el mercado ya los tienen incorporados, pero estos resistores externos consumen corriente para operar e influyen en la señal de salida, cambiando sus características con la frecuencia. Considere nuevamente la onda cuadrada de un codificador incremental, solo que esta vez con un acercamiento extremo a uno de sus cambios de estado. Nos gusta pensar en nuestras señales digitales como si cambiaran de bajo a alto inmediatamente, pero, por supuesto, sabemos que todo lleva tiempo. Nos referimos a este tiempo de retraso como la tasa de variación.

En el caso de salidas de colector abierto, la velocidad de transición se ve afectada por la resistencia del resistor de pull-up, ya que el resistor actúa como la R en un circuito de temporización RC. Velocidades de transición más bajas significan una velocidad de operación reducida del codificador (y/o resolución reducida en el caso de codificadores incrementales). Las velocidades de transición pueden mejorarse con resistencias de menor valor (pull-ups más fuertes), pero esa compensación significa que el sistema consume más energía, ya que ese resistor de pull-up debe atraer más corriente a través de él cuando la señal es baja.

Salidas push-pull

La mejor respuesta a las desventajas de una interfaz de colector abierto es una configuración push-pull. En push-pull, se utilizan dos transistores en lugar de solo uno. El transistor superior funciona como un pull-up activo, mientras que el transistor inferior funciona igual que el transistor en una configuración de colector abierto. Las configuraciones push-pull permiten transiciones digitales rápidas con velocidades de variación más rápidas que las que se pueden lograr con resistencias acondicionando las líneas de señal. Sin resistencias actuando para disipar energía, este tipo de salida también tiene un menor consumo de energía. Esto hace que la salida push-pull sea una opción mucho mejor para aplicaciones alimentadas por baterías, donde la energía disponible es primordial.

Todos los codificadores AMT de un solo extremo de Same Sky utilizan el tipo de salida push-pull. No se requieren pull-ups externos para la interfaz con las salidas de los modelos de codificadores AMT. Esto facilita mucho las pruebas y el prototipado, requiriendo menos suministros para su puesta en marcha. Es importante señalar que la salida del codificador AMT se referencia como CMOS en la hoja de datos. Esto simplemente indica cómo el dispositivo de interfaz debe interpretar los niveles de voltaje alto y bajo que ve desde la salida push-pull. Estos valores altos y bajos varían entre dispositivos, por lo que se debe consultar la hoja de datos del producto deseado.

Salidas de controlador de línea diferencial

Aunque los codificadores push-pull ofrecen una mejora en el rendimiento sobre sus predecesores de colector abierto, no son necesariamente la opción adecuada para cada proyecto debido a sus salidas de un solo extremo. Si una aplicación requiere una larga distancia de cableado, o si los cables usados estarán sujetos a grandes cantidades de ruido e interferencias eléctricas, un codificador con salida de controlador de línea diferencial será la mejor opción. Las salidas diferenciales se generan con la misma configuración de transistores que las salidas push-pull, pero en lugar de generarse una señal, se generan dos señales. Estas señales se denominan un par diferencial; una de las señales coincide con la señal original, mientras que la otra es exactamente opuesta a la señal original, razón por la cual a veces se denomina señal complementaria.

In a single-ended output, the receiver is always referencing the transmitted signal to a common ground. However, over long cabling distances where voltages tend to drop and slew rates decrease, signal errors often occur. In a differential application, the host generates the original single-ended signal, which then goes to a differential transmitter. This transmitter creates the differential pair to be sent out over the cabling. With two signals generated, the receiver no longer references the voltage level to ground, but instead references the signals to each other. This means that rather than looking for specific voltage levels, the receiver is always looking at the difference between the two signals. The differential receiver then reconstructs the pair of signals back into one single-ended signal that can be interpreted by the host device using the proper logic levels required by the host. This type of interface also allows devices of differing voltage levels to operate together by way of communication between the differential transceivers. All this works together to overcome the signal degradation that would have occurred with a single-ended application over long cabling distances.

Sin embargo, la degradación de la señal no es el único problema que surge con largas distancias de cableado. Cuanto más largo sea el cableado dentro de un sistema, mayores serán las probabilidades de que el ruido eléctrico y la interferencia se introduzcan en los cables y, en última instancia, en el sistema eléctrico. Cuando el ruido se acopla al cableado, aparece como voltajes de magnitudes variables. En sistemas con encoders de salida simple, esto puede hacer que el lado receptor del sistema lea valores lógicos altos y bajos falsos, lo que lleva a datos de posición erróneos. ¡Este es un problema enorme! Afortunadamente, las interfaces de controladores de línea diferencial están bien equipadas para lidiar con este ruido. Same Sky generalmente recomienda usar un controlador de línea diferencial para longitudes de cable superiores a 1 metro.

Cuando se utilizan controladores de línea diferencial, se requiere cableado de par trenzado. El cableado de par trenzado está compuesto por señales A y A- entrelazadas con un número específico de vueltas en una distancia determinada. Con este tipo de cable, el ruido que se genera en un hilo de señal se aplica igualmente en el hilo emparejado. Si se produce un pico de voltaje en la señal A, se aplica igualmente en la señal A-. Debido a que el receptor diferencial resta las señales entre sí para obtener la señal reconstruida, ignoraría el ruido que se muestra igualmente en ambos hilos. La capacidad del receptor diferencial para ignorar los voltajes que son iguales en ambas líneas de señal se denomina rechazo de modo común. Debido a sus capacidades de rechazo de ruido, las interfaces de controladores de línea diferencial son comunes en aplicaciones industriales y automotrices.

Al comprender los diferentes tipos de salida de codificadores y sus ventajas y desventajas, un ingeniero puede seleccionar mejor el tipo de salida óptimo para su aplicación. Los codificadores AMT de Same Sky se ofrecen todos con salidas push-pull para un bajo consumo de energía y facilidad de instalación. También están disponibles las opciones de controlador de línea diferencial en muchos modelos para aplicaciones más exigentes.