一般的なエンコーダ出力信号の比較

必要な種類が分かったら、解像度、取り付けパターン、モーター軸のサイズなど、他にも考慮すべき多数のパラメータがあります。さらに、時に見落とされがちな点として、エンコーダーの出力信号の種類が挙げられます。その答えは必ずしも明確ではありません。そこで、この投稿では、ほぼすべてのエンコーダーに見られる3つの主要な出力タイプについてレビューします。それは、オープンコレクタ、プッシュプル、そして差動ラインドライバです。これら3つの出力タイプは、デジタル通信の物理層を説明するものです。

インクリメンタルエンコーダのクアドラチャ出力、コミュテーションエンコーダのモーターポール出力、または特定のプロトコルを使用するシリアルインターフェイスであろうと、それらすべての信号はデジタルであり、高状態と低状態を持っています。つまり、5 Vエンコーダの場合、信号は常に0 V（接地）である低状態またはバイナリの0、そして5 Vである高状態またはバイナリの1の間で切り替わります。この投稿では、基本的な矩形波を提供するインクリメンタルエンコーダの出力に焦点を当てます。

オープンコレクター出力

市場に出回っているほとんどのロータリーエンコーダは、オープンコレクター出力を持っています。これにより、デジタル信号の出力が低レベル（グラウンド）に駆動されることが可能で、信号が高レベルであるべき場合には出力が単に切断されます。出力が「オープンコレクター」と呼ばれる理由は、トランジスタのコレクタピンが入力信号が高レベルの時に開いた状態、つまり切断された状態のままになるためです。

このデバイスとインターフェースするには、必要な高電圧レベルにコレクタを「プルアップ」するために外部抵抗が必要です。これは、エンジニアが異なる電圧レベルを持つシステムとインターフェースしようとしている場合に便利な出力タイプです。コレクタは、エンコーダが動作する電圧レベルよりも低いまたは高い電圧レベルにプルアップすることが可能です。

しかしながら、このインターフェースの欠点は、エンコーダの電圧レベルを変更できる能力を上回ることが多いです。オープンコレクタエンコーダに外部抵抗を追加することは、それほど難しいことではなく、市販の多くのコントローラには既にこれらの抵抗が組み込まれています。しかし、これらの外部抵抗は動作するために電流を消費し、出力信号に影響を与え、周波数によってその特性を変化させます。インクリメンタルエンコーダの方形波をもう一度考慮してみましょう。ただし、今回はその状態変化の一つに非常に近づいてズームインしてみます。デジタル信号が低から高へ即座に変化すると考えがちですが、実際にはすべての変化には時間がかかることを当然知っています。この時間遅延をスルーレートと呼びます。

オープンコレクタ出力の場合、スルーレートはプルアップ抵抗の抵抗値に影響を受けます。これは、その抵抗がRCタイミング回路のRとして機能するためです。スルーレートが低いと、エンコーダの動作速度が低下し（またはインクリメンタルエンコーダの場合は解像度が低下する）、性能に影響を与えます。スルーレートは低い値の抵抗（より強いプルアップ抵抗）を使用することで改善できますが、そのトレードオフとして、信号が低い場合にプルアップ抵抗を通じてより多くの電流を消費するため、システムの電力消費が増加します。

プッシュプル出力

オープンコレクターインターフェースの欠点を解決する最良の方法は、プッシュプル構成です。プッシュプルでは、トランジスタが1つではなく2つ使用されます。上側のトランジスタはアクティブなプルアップとして機能し、下側のトランジスタはオープンコレクター構成のトランジスタと同じように動作します。プッシュプル構成では、信号線を調整する抵抗よりも高速なデジタルトランジションと急激なスルーレートが可能になります。抵抗が電力を消費する役割を果たさないため、この出力タイプは電力消費が少なくなります。このため、利用可能な電力が限られているバッテリー駆動のアプリケーションにおいて、プッシュプル出力がはるかに優れた選択肢となります。

Same Skyのシングルエンド AMT エンコーダはすべてプッシュプル出力タイプを採用しています。AMTエンコーダモデルの出力とのインターフェースには外部プルアップ抵抗が不要です。これにより、テストやプロトタイピングが非常に容易になり、動作を開始するために必要な物品が減少します。AMTエンコーダの出力がデータシート上でCMOSとして参照されていることに注意する必要があります。これは、インターフェースを行うデバイスがプッシュプル出力から受け取る高電圧および低電圧レベルをどのように解釈するべきかを示すものです。この高低電圧値はデバイスごとに異なるため、希望する製品のデータシートを確認することをお勧めします。

差動ラインドライバー出力

プッシュプルエンコーダーは、そのオープンコレクタ型の前身よりも性能が向上していますが、シングルエンド出力であるため、すべてのプロジェクトにおいて必ずしも最適な選択肢であるわけではありません。アプリケーションで長距離ケーブルを必要とする場合や、使用するケーブルが大量の電気ノイズや干渉を受ける可能性がある場合、差動ラインドライバー出力を持つエンコーダーが最良の選択肢となります。差動出力はプッシュプル出力と同じトランジスタ構成を使用して生成されますが、1つの信号が生成されるのではなく、2つの信号が生成されます。これらの信号は差動ペアと呼ばれます。一方の信号は元の信号と一致し、もう一方は元の信号の正反対となるため、補完信号と呼ばれることもあります。

シングルエンド出力では、受信機は常に送信される信号を共通のグランドを基準に参照します。しかし、ケーブルの距離が長くなると電圧が低下したりスルー率が減少したりするため、信号エラーが発生することがよくあります。差動アプリケーションでは、ホストが元のシングルエンド信号を生成し、それが差動トランスミッタに送られます。このトランスミッタはケーブルを介して送信される差動ペアを生成します。2つの信号が生成されることで、受信機は電圧レベルをグランドに基準として参照するのではなく、2つの信号をお互いに基準として参照します。つまり、特定の電圧レベルを検出するのではなく、受信機は常に2つの信号間の差を見ています。差動受信機は、このペアの信号を再構築し、ホストの必要とする適切なロジックレベルを使用して解釈できる1つのシングルエンド信号に戻します。このタイプのインターフェースにより、異なる電圧レベルのデバイスが差動トランシーバー間の通信を通じて一緒に動作することが可能になります。これにより、長いケーブル距離でのシングルエンドアプリケーションで発生する信号劣化を克服することができます。

しかし、長距離の配線では信号劣化だけが問題ではありません。システム内で配線が長くなるほど、電気的ノイズや干渉がケーブルに影響を及ぼし、最終的には電気システムに侵入する可能性が高くなります。ノイズがケーブルに結合すると、さまざまな振幅の電圧として現れます。シングルエンド出力エンコーダーを使用したシステムでは、これによりシステムの受信側が誤った高・低の論理値を読み取ることがあり、その結果として誤った位置データが生じる可能性があります。これは重大な問題です！幸いなことに、差動ラインドライバーインターフェースはこのノイズに対処する能力が十分に備わっています。同社のSame Skyは、配線の長さが1メートルを超える場合には、差動ラインドライバーの使用を推奨しています。

差動ラインドライバを使用する場合、ツイストペア配線が必要です。ツイストペア配線は、信号Aと信号A-を指定された距離内で特定の回数だけより合わせた構造になっています。このタイプのケーブルでは、片方の信号線で生成されたノイズが、ペアになっているもう片方の信号線にも同様に影響を及ぼします。例えば、信号Aに電圧スパイクが発生した場合、それは信号A-にも同様に適用されます。差動受信機は信号を互いに減算して再構成された信号を得るため、両方の信号線に等しく現れるノイズを無視します。差動受信機が両方の信号線上で同じ電圧を無視する能力は、共模除去（Common Mode Rejection）と呼ばれます。そのノイズ除去能力のため、差動ラインドライバインターフェースは産業用途や自動車用途で広く利用されています。

エンコーダーの異なる出力タイプとその利点と欠点を理解することで、エンジニアはアプリケーションに最適な出力タイプをより適切に選択することができます。Same SkyのAMTエンコーダーはすべて、低消費電力と設置の容易さのためにプッシュプル出力で提供されています。より高い要求のあるアプリケーション向けに、多くのモデルで差動ラインドライバオプションも利用可能です。