常见编码器输出信号的比较

一旦他们确定需要哪种类型，就还有一长串其他参数需要考虑，例如：分辨率、安装模式、电机轴尺寸等等。此外，有时会被忽视的一点是所需的编码器输出信号类型。答案并不总是显而易见的，因此在本文中，我们将回顾几乎任何编码器上都会见到的三种主要输出类型：开路集电极（open-collector）、推挽式（push-pull）和差分线驱动器（differential line driver）。这三种输出类型描述了数字通信的物理层。

无论是增量编码器的正交输出、换向编码器的电机极输出，还是使用特定协议的串行接口，这些信号都是数字信号，并具有高低电平状态。这意味着，对于一个5 V的编码器，信号总是在0 V（接地，表示低电平或二进制0）和5 V（表示高电平或二进制1）之间切换。本文中，我们将重点讨论提供基本方波输出的增量编码器。

开集电极输出

市场上的大多数旋转编码器都会具有开路集电极输出。这意味着数字信号的输出可以被拉低接地，而当信号应该为高电平时，输出只是断开。之所以称为开路集电极输出，是因为当输入信号为高电平时，晶体管的集电极引脚是处于开路（断开）状态的。

要与该设备连接，需要一个外部电阻将集电极“上拉”至所需的高电压水平。如果工程师试图与具有不同电压水平的系统接口，这是一种非常有用的输出类型。集电极可以被上拉以匹配低于或高于编码器工作电压的电压水平。

然而，这种接口的缺点往往会超过调整编码器电压水平的能力。给开集电极编码器添加外部电阻并不是一件特别困难的事情，而且许多现成的控制器已经内置了这些电阻，但这些外部电阻需要消耗电流才能工作，并且它们会影响输出信号，其特性会随着频率发生变化。再次考虑增量编码器的方波，不过这次我们将其状态变化放大到极其细微的程度。我们通常认为数字信号会即时从低转为高，但实际上我们清楚地知道，一切都需要时间。我们将这种时间延迟称为转换速率（slew rate）。

在开集电极输出的情况下，转换速率会受到上拉电阻阻值的影响，因为该电阻在RC定时电路中充当了R的角色。较低的转换速率意味着编码器的运行速度降低（在增量编码器的情况下，也会导致分辨率降低）。使用较低阻值（更强的上拉）可以提高转换速率，但这种权衡意味着系统的功耗会增加，因为当信号为低电平时，上拉电阻需要通过它消耗更多的电流。

推挽输出

针对开路集电极接口缺点的最佳解决方案是使用推挽配置。在推挽配置中，使用了两个晶体管而不是仅仅一个。上方的晶体管作为一个主动拉高器工作，而下方的晶体管则与开路集电极配置中的晶体管功能相同。推挽配置允许实现快速的数字过渡，其转换速率比使用电阻调整信号线时能够实现的速率更快。由于没有电阻起耗能作用，这种输出类型的功耗也更低。这使得推挽输出成为电池供电应用的更优选择，尤其是在可用电力非常有限的情况下。

所有Same Sky的单端AMT编码器均采用推挽输出类型。与AMT编码器型号输出接口时，无需外接上拉电阻。这使得测试和原型设计更加简单，所需的物料也更少，可以更快速地启动工作。需要注意的是，AMT编码器的输出在数据表中被标注为CMOS。这仅仅是用来指示接口设备应如何解释它从推挽输出看到的高电平和低电平。这些高低电平值因设备而异，因此应参考所需产品的数据表。

差分线驱动器输出

虽然推挽式编码器相比其开路集电极前代在性能上有所提升，但由于其单端输出的特性，它们并不一定适合所有的项目。如果应用需要较长的布线距离，或者使用的电缆会受到大量的电气噪声和干扰的影响，那么具有差分线驱动输出的编码器将是最佳选择。差分输出是通过与推挽输出相同的晶体管配置生成的，但与生成一个信号不同，差分输出会生成两个信号。这些信号被称为差分对；其中一个信号与原始信号相匹配，而另一个则与原始信号完全相反，因此有时也被称为互补信号。

在单端输出中，接收端始终将传输信号参考至一个共同的地。然而，在长距离布线中，由于电压下降和转换速率降低，通常会发生信号错误。在差分应用中，主机生成原始的单端信号，然后将其发送到一个差分发射器。该发射器生成差分对，用于通过电缆传输。有了两个生成的信号，接收端不再将电压水平参考到地，而是将信号彼此间进行参考。这意味着接收端不是寻找特定的电压水平，而是始终检查两个信号之间的差值。差分接收端随后将这一对信号重构为一个单端信号，并根据主机所需的逻辑电平进行解释。这种接口还允许不同电压水平的设备通过差分收发器之间的通信协同工作。这一过程综合作用，从而克服了在长距离布线中的单端应用所可能造成的信号退化问题。

然而，信号衰减并不是长距离布线中唯一会出现的问题。在一个系统中，电缆越长，电气噪声和干扰进入电缆并最终进入电气系统的可能性就越高。当噪声耦合到电缆上时，会表现为不同幅度的电压。在使用单端输出编码器的系统中，这可能导致系统的接收端读取错误的高电平和低电平逻辑值，从而生成错误的位置信息。这是一个严重的问题！幸运的是，差分线驱动接口非常适合处理这种噪声。同一片天空（Same Sky）通常建议对超过1米的电缆长度使用差分线驱动器。

当使用差分线驱动器时，必须使用双绞线电缆。双绞线电缆由A信号和A-信号交织在一起组成，具有一定距离内规定的扭转次数。使用这种类型的电缆时，在某一信号线上产生的噪声会同等地施加到配对的信号线上。如果信号A上出现电压尖峰，那么同样的电压尖峰会同等地施加在信号A-上。由于差分接收器通过将信号相互抵消以重建信号，因此它会忽略两个导线上同等出现的噪声。差分接收器忽略两个信号线上电压相等的能力被称为共模抑制。由于其抗噪性能，差分线驱动接口在工业和汽车应用中非常普遍。

通过了解不同编码器输出类型及其优缺点，工程师能够更好地为其应用选择最佳的输出类型。Same Sky 的 AMT 编码器均配备推挽输出，实现低功耗及简便的安装。此外，许多型号还提供差分驱动器选项，以满足更高要求的应用。