일반적인 엔코더 출력 신호의 비교

그들이 필요한 타입을 알게 되면 해상도, 장착 패턴, 모터 축 크기 등 고려해야 할 다른 여러 파라미터가 있습니다. 추가적으로, 그리고 때로는 간과되기도 하는 부분이 바로 필요한 엔코더 출력 신호 타입입니다. 답이 항상 명확하지는 않으므로, 이 글에서는 거의 모든 엔코더에서 볼 수 있는 세 가지 주요 출력 타입인 오픈 콜렉터, 푸시-풀, 그리고 디퍼렌셜 라인 드라이버에 대해 살펴보겠습니다. 이 세 가지 출력 타입은 디지털 통신의 물리적 레이어를 설명합니다.

증분형 엔코더의 쿼드러처 출력이든, 정류 엔코더의 모터 폴 출력이든, 특정 프로토콜을 사용하는 시리얼 인터페이스든 간에, 이러한 모든 신호는 디지털 신호이며 고(high)와 저(low) 상태를 가집니다. 이는 5V 엔코더의 경우에서 신호가 항상 0V(접지), 즉 저 상태 또는 이진수 0과 5V인 고 상태 또는 이진수 1 사이를 전환한다는 것을 의미합니다. 이 글에서는 기본적인 정사각 파형을 제공하는 증분형 엔코더 출력에 초점을 맞추겠습니다.

오픈 콜렉터 출력

시중에 나와 있는 대부분의 로터리 엔코더는 오픈 컬렉터 출력 방식을 사용할 것입니다. 이는 디지털 신호의 출력이 낮게 유지되어 접지로 연결될 수 있으며, 신호가 높아야 할 때 출력이 단순히 연결이 끊어진 상태로 유지된다는 것을 의미합니다. 출력이 "오픈 컬렉터"로 명명된 이유는 입력 신호가 높을 때 트랜지스터의 컬렉터 핀이 열려 있거나 연결이 끊어진 상태로 남아 있기 때문입니다.

이 장치와 인터페이스하려면 원하는 높은 전압 수준으로 컬렉터를 "풀업"하기 위해 외부 저항기가 필요합니다. 이는 엔지니어가 서로 다른 전압 수준을 가진 시스템과 인터페이스하려고 할 때 유용한 출력 유형입니다. 컬렉터는 인코더가 작동하는 전압 수준보다 낮거나 높은 전압 수준에 맞게 풀업할 수 있습니다.

그러나 이 인터페이스의 단점은 종종 인코더의 전압 수준을 변경할 수 있는 능력을 능가합니다. 오픈 컬렉터 인코더에 외부 저항을 추가하는 것은 극도로 어려운 일이 아니며, 많은 기성 컨트롤러에는 이미 이러한 저항이 내장되어 있습니다. 하지만 이러한 외부 저항은 동작하는 데 전류를 소비하며 출력 신호에 영향을 미쳐 주파수에 따라 신호의 특성을 변경합니다. 증분형 인코더의 사각파 형태를 다시 한번 고려해 보세요. 이번에는 상태 변화 중 하나를 극도로 확대해서 본다고 가정합시다. 디지털 신호가 낮은 상태에서 높은 상태로 즉시 전환된다고 생각하기 쉽지만, 모든 것은 시간이 걸린다는 것을 알고 있습니다. 우리는 이 시간 지연을 슬루 속도(slew rate)라고 부릅니다.

오픈 컬렉터 출력의 경우, 풀업 저항의 저항 값이 RC 타이밍 회로에서 R의 역할을 하기 때문에 슬루 속도는 풀업 저항의 저항 값에 영향을 받습니다. 슬루 속도가 낮아지면 인코더의 작동 속도가 감소하거나(증분 인코더의 경우 해상도가 감소함) 성능이 저하됩니다. 저항 값이 낮은 풀업 저항(더 강한 풀업)을 사용하여 슬루 속도를 개선할 수 있지만, 그러한 절충으로 인해 신호가 낮을 때 풀업 저항이 더 많은 전류를 끌어와야 하기 때문에 시스템의 전력 소비가 증가합니다.

Push-pull outputs

The best answer to the drawbacks of an open-collector interface is a push-pull configuration. In push-pull, two transistors are used instead of just one. The upper transistor functions as an active pull-up, while the lower transistor works the same as the transistor in an open-collector configuration. Push-pull configurations allow for fast digital transitions with faster slew rates than are achievable with resistors conditioning the signal lines. Without resistors acting to dissipate power, this output type is also lower in power usage. This makes the push-pull output a much better option for battery-powered applications where available power is at a premium.

All of Same Sky's single-ended AMT encoders use the push-pull output type. No external pull-ups are required for interfacing to the outputs of AMT encoder models. This makes testing and prototyping much easier, requiring less supplies to get up and running. It is important to note that the AMT encoder's output is referenced as CMOS on the datasheet. This simply indicates how the interfacing device should interpret the high and low voltage levels it sees from the push-pull output. These high and low values vary between devices, so the datasheet for the desired product should be consulted.

Differential line driver outputs

While push-pull encoders offer a step-up in performance over their open-collector predecessors, they are not necessarily the right option for every project due to their single-ended outputs. If an application requires long cabling distance, or if the cables used will be subject to large amounts of electrical noise and interference, an encoder with a differential line driver output is going to be the best choice. Differential outputs are generated with the same transistor configuration as push-pull outputs, but rather than one signal being generated there are two signals generated. These signals are referred to as a differential pair; one of the signals matches the original signal, while the other is the exact opposite of the original signal, which is why it is sometimes referred to as a complementary signal.

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.

However, signal degradation is not the only issue that arises over long cabling distances. The longer the cabling is within a system, the higher the chances that electrical noise and interference will make its way onto the cables and ultimately into the electrical system. When noise couples onto cabling it shows up as voltages of varying magnitudes. In systems with single-ended output encoders, this can cause the receiving side of the system to read false high and low logic values, leading to erroneous position data. This is a massive problem! Luckily differential line-driver interfaces are well equipped to deal with this noise. Same Sky typically recommends using a differential line driver for cable lengths exceeding 1 meter.

When using differential line drivers, twisted pair cabling is required. Twisted pair cabling is comprised of A and A- signals intertwined together with a specified number of turns over a given distance. With this type of cable, noise that is generated on one signal wire is applied equally on the paired wire. If a voltage spike occurs on signal A, it is equally applied on signal A-. Because the differential receiver subtracts the signals from each other to get the reconstructed signal, it would ignore the noise shown equally on both wires. The ability of the differential receiver to ignore voltages that are the same on both signal lines is referred to as common mode rejection. Because of their noise rejection capabilities, differential line driver interfaces are commonplace in industrial and automotive applications.

By understanding the different encoder output types and their advantages and disadvantages, an engineer can better select the optimal output type for their application. Same Sky's AMT encoders are all offered with push-pull outputs for low power consumption and ease of installation. Differential line driver options are also available in many models for more demanding applications.