Un confronto tra i segnali di uscita comuni degli encoder

Una volta che sanno di che tipo hanno bisogno, c'è una lunga lista di altri parametri da considerare, come: risoluzione, schema di montaggio, dimensione dell'albero motore e altro ancora. Inoltre, e a volte trascurato, c'è il tipo di segnale di uscita dell'encoder necessario. La risposta non è sempre chiara, quindi in questo post esamineremo i tre principali tipi di uscite presenti praticamente su qualsiasi encoder: open-collector, push-pull e driver di linea differenziale. Questi tre tipi di uscita descrivono il livello fisico della comunicazione digitale.

Che si tratti dell'uscita a quadratura di un encoder incrementale, dell'uscita dei poli del motore di un encoder di commutazione, o di un'interfaccia seriale che utilizza un protocollo specifico, tutti questi segnali sono digitali e presentano stati alti e bassi. Questo significa che, per un encoder a 5 V, i segnali passeranno sempre tra 0 V (terra), che è basso o rappresenta un binario 0, e 5 V, che è alto o rappresenta un binario 1. In questo post ci concentreremo sulle uscite degli encoder incrementali, che forniscono un'onda quadra di base.

Uscite a collettore aperto

La maggior parte degli encoder rotativi sul mercato utilizza un'uscita a collettore aperto. Questo significa che l'uscita di un segnale digitale può essere portata a livello basso (a terra) e, quando il segnale dovrebbe essere alto, l'uscita viene semplicemente disconnessa. L'uscita viene chiamata collettore aperto perché il pin del collettore del transistor rimane aperto, o disconnesso, quando il segnale di ingresso è alto.

Per interfacciarsi con questo dispositivo, è necessario un resistore esterno per "tirare su" il collettore al livello di alta tensione desiderato. Questo è un tipo di uscita utile se l'ingegnere sta cercando di interfacciarsi con un sistema che opera con livelli di tensione differenti. Il collettore può essere tirato su per raggiungere livelli di tensione inferiori o superiori rispetto a quelli di funzionamento dell'encoder.

Tuttavia, gli svantaggi di questa interfaccia spesso superano la capacità di cambiare i livelli di tensione degli encoder. L'aggiunta di resistori esterni agli encoder a collettore aperto non è eccessivamente difficile da realizzare, e molti controller pronti all'uso li hanno già integrati, ma questi resistori esterni consumano corrente per funzionare e influenzano il segnale di uscita, modificandone le caratteristiche con la frequenza. Consideriamo nuovamente l'onda quadra di un encoder incrementale, questa volta ingrandita in modo estremamente ravvicinato su uno dei suoi cambiamenti di stato. Tendiamo a pensare ai nostri segnali digitali come se passassero da basso ad alto immediatamente, ma ovviamente sappiamo che tutto richiede del tempo. Ci riferiamo a questo ritardo temporale con il termine "slew rate".

Nel caso di uscite open-collector, la velocità di variazione (slew rate) è influenzata dalla resistenza del resistore pull-up poiché il resistore agisce come la R in un circuito di temporizzazione RC. Velocità di variazione inferiori comportano una velocità di funzionamento ridotta dell'encoder (e/o una risoluzione ridotta nel caso degli encoder incrementali). La velocità di variazione può essere migliorata utilizzando resistori di valore inferiore (pull-up più forti), ma questo compromesso comporta un aumento del consumo energetico del sistema, poiché il resistore pull-up deve assorbire più corrente quando il segnale è basso.

Uscite push-pull

La soluzione migliore agli svantaggi di un'interfaccia open-collector è una configurazione push-pull. Nella configurazione push-pull, vengono utilizzati due transistor invece di uno solo. Il transistor superiore funziona come un pull-up attivo, mentre il transistor inferiore opera nello stesso modo del transistor in una configurazione open-collector. Le configurazioni push-pull consentono transizioni digitali rapide con velocità di commutazione (slew rates) più elevate rispetto a quelle ottenibili con resistori che condizionano le linee di segnale. Senza resistori che dissipano energia, questo tipo di uscita ha anche un consumo energetico inferiore. Questo rende l'uscita push-pull un'opzione decisamente migliore per applicazioni alimentate a batteria, dove la disponibilità di energia è un fattore cruciale.

Tutti gli encoder AMT single-ended di Same Sky utilizzano il tipo di uscita push-pull. Non sono necessari pull-up esterni per interfacciarsi con le uscite dei modelli di encoder AMT. Questo rende il test e il prototipo molto più semplici, richiedendo meno risorse per iniziare a utilizzarli. È importante notare che l'uscita dell'encoder AMT è indicata come CMOS nella scheda tecnica. Questo indica semplicemente come il dispositivo di interfaccia dovrebbe interpretare i livelli di tensione alta e bassa rilevati dall'uscita push-pull. Questi valori alti e bassi variano tra i dispositivi, quindi è necessario consultare la scheda tecnica del prodotto desiderato.

Uscite del driver di linea differenziale

Sebbene gli encoder push-pull offrano un miglioramento delle prestazioni rispetto ai loro predecessori a uscita open-collector, non sono necessariamente l'opzione migliore per ogni progetto a causa delle loro uscite single-ended. Se un'applicazione richiede lunghe distanze di cablaggio o se i cavi utilizzati saranno soggetti a elevate quantità di rumore elettrico e interferenze, un encoder con uscita driver a linea differenziale sarà la scelta migliore. Le uscite differenziali vengono generate con la stessa configurazione di transistor delle uscite push-pull, ma anziché generare un solo segnale, vengono generati due segnali. Questi segnali sono definiti coppia differenziale; uno dei segnali corrisponde al segnale originale, mentre l'altro è esattamente l'opposto del segnale originale, motivo per cui a volte viene definito segnale complementare.

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.

Tuttavia, il degrado del segnale non è l'unico problema che si presenta su lunghe distanze di cablaggio. Più lungo è il cablaggio all'interno di un sistema, maggiori sono le probabilità che rumore elettrico e interferenze si trasferiscano sui cavi e, infine, nel sistema elettrico. Quando il rumore si accoppia al cablaggio, si manifesta sotto forma di tensioni di varie ampiezze. Nei sistemi con encoder a uscita single-ended, ciò può portare il lato ricevente del sistema a leggere valori logici falsi di alti e bassi, causando dati di posizione errati. Questo è un enorme problema! Fortunatamente, le interfacce dei driver di linea differenziali sono ben attrezzate per gestire questo rumore. Same Sky consiglia generalmente di utilizzare un driver di linea differenziale per lunghezze di cavo superiori a 1 metro.

Quando si utilizzano driver di linea differenziali, è necessario utilizzare cablaggi a coppie intrecciate. Il cablaggio a coppie intrecciate è costituito da segnali A e A- intrecciati insieme con un numero specifico di avvolgimenti su una determinata distanza. Con questo tipo di cavo, il rumore generato su un filo di segnale viene applicato in modo uguale sul filo accoppiato. Se si verifica un picco di tensione sul segnale A, esso viene applicato in maniera equilibrata anche sul segnale A-. Poiché il ricevitore differenziale sottrae i segnali tra loro per ottenere il segnale ricostruito, ignora il rumore presente in modo identico su entrambi i fili. La capacità del ricevitore differenziale di ignorare le tensioni uguali su entrambe le linee di segnale viene definita reiezione del modo comune. Grazie alle loro capacità di reiezione del rumore, le interfacce dei driver di linea differenziali sono comunemente utilizzate in applicazioni industriali e automobilistiche.

Comprendendo i diversi tipi di uscita degli encoder e i loro vantaggi e svantaggi, un ingegnere può selezionare meglio il tipo di uscita ottimale per la propria applicazione. Gli encoder AMT di Same Sky sono tutti offerti con uscite push-pull per un basso consumo energetico e facilità di installazione. Opzioni con driver di linea differenziale sono anche disponibili in molti modelli per applicazioni più impegnative.