常見編碼器輸出信號比較
在為運動控制應(yīng)用選擇編碼器時，需要在眾多產(chǎn)品中作出選擇。負(fù)責(zé)指定傳感器的工程師必須確定其應(yīng)用需要的是增量編碼器、絕對值編碼器，還是換相編碼器。一旦確定需要的類型，他們就需要考慮一長串其他參數(shù)，例如：分辨率、安裝方式、電機軸尺寸等等。此外，有時會忽略需要的編碼器輸出信號類型。有時答案并不明確，所以在這篇文章中，我們會審視幾乎所有編碼器中都有的三種主要輸出類型：集電極開路、推挽式和差分線路驅(qū)動器。這三種輸出類型描述了數(shù)字通信的物理層面。
無論是增量編碼器的正交輸出、換相編碼器的電機極輸出，還是使用特定協(xié)議的串行接口，所有這些輸出信號都是數(shù)字信號，且都具有高低狀態(tài)。也就是說，一個5 V 編碼器的信號會一直在0 V（對地）的低壓（或二進制0），與5 V 的高壓（或二進制1）之間切換。在本文中，我們將重點了解輸出基本方波的增量編碼器輸出。
集電極開路輸出
市面上大多數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器都采用集電極開路輸出。這就意味著可以將數(shù)字信號的對地輸出壓低，而在認(rèn)為信號電平高時，只需斷開輸出的連接即可。這種輸出稱為集電極開路，是因為輸入信號電平高時，晶體管上的集電極引腳就會保持開路或斷開。
要與該設(shè)備連接，需用一個外部電阻將集電極“提升”至所需的高電壓電平。這是一種有用的輸出類型，可幫助工程師嘗試與具有不同電壓電平的系統(tǒng)連接。可以提升集電極的電壓電平，以滿足低于或高于編碼器工作電壓的條件。
然而，該連接的劣勢常常掩蓋住改變編碼器電壓電平的功能。在集電極開路編碼器上加裝外部電阻并不是非常困難，許多現(xiàn)成的控制器已經(jīng)內(nèi)置了外部電阻，但這些外部電阻的運行需要消耗電流，且會影響輸出信號，從而隨著頻率改變信號特性。讓我們重新考慮增量編碼器的方波，只是這次我們將其調(diào)整到非常接近其中一種狀態(tài)變化。我們希望數(shù)字信號能夠立即實現(xiàn)從低到高的轉(zhuǎn)換，但我們當(dāng)然明白一切都需要時間。我們將這一時間延遲稱為轉(zhuǎn)換速率。
在集電極開路輸出中，由于電阻在RC時序電路中充當(dāng)R，轉(zhuǎn)換速率受提升電阻的電阻值影響。如果轉(zhuǎn)換速率降低，編碼器的運行速度也會降低（和/或增量編碼器的分辨率也會降低）。使用較低值的電阻（提升較強）可以提高轉(zhuǎn)換速率，但這種折衷會讓系統(tǒng)消耗更多功率，因為當(dāng)信號較低時，提升電阻必須通過系統(tǒng)消耗更多電流。
推挽式輸出
彌補集電極開路連接缺點的最佳選擇是推挽式配置。推挽式配置使用兩個晶體管，而不是一個。上部晶體管用作有源提升件，下部晶體管則與集電極開路配置中的晶體管工作方式相同。推挽式配置可實現(xiàn)快速數(shù)字轉(zhuǎn)換，比調(diào)節(jié)信號線的電阻所能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換速率更高。如果沒有電阻耗散功率，這種輸出類型的功率耗用量也會比較低。這使得推挽式輸出成為電池供電應(yīng)用的更好選擇，因為此種應(yīng)用的可用功率非常寶貴。
差分線路驅(qū)動器輸出
推挽式編碼器的性能雖然優(yōu)于之前的集電極開路編碼器，但由于它是單端輸出，所以不一定適合所有項目。如果應(yīng)用需要較長的布線距離，或者使用的電纜會承受大量電噪音和干擾，那么帶差分線路驅(qū)動器輸出的編碼器會是最佳選擇。差分輸出是通過與推挽式輸出相同的晶體管配置生成的，但不是只產(chǎn)生一個信號，而是兩個。這些信號被稱為差分對；其中一個信號與原始信號匹配，而另一個信號則與原始信號完全相反，因而它有時被稱為互補信號。
在單端輸出中，接收器始終參考相對于公共接地的傳輸信號。然而在電壓和轉(zhuǎn)換速率趨于降低的長布線距離中，經(jīng)常發(fā)生信號錯誤。在差分應(yīng)用中，主機生成原始的單端信號，然后信號進入差分發(fā)射器。該發(fā)射器產(chǎn)生差分對，通過電纜發(fā)送出去。接收器在產(chǎn)生兩個信號之后，不再參考對地電壓電平，而是參考相互之間的信號。這意味著接收器不是確定特定的電壓電平，而是一直在參考兩個信號之間的差值。然后差分接收器將該對信號重構(gòu)為一個單端信號，主機設(shè)備可使用主機所需的適當(dāng)邏輯電平轉(zhuǎn)換該信號。這類接口還能通過差分收發(fā)器之間的通信，讓具有不同電壓電平的設(shè)備一起運行。所有這些設(shè)備共同工作，以克服單端應(yīng)用可能因布線距離長而發(fā)生的信號衰減。
然而，信號衰減不是長布線距離引起的唯一問題。系統(tǒng)內(nèi)的布線越長，電噪音和干擾進入電纜并最終進入電氣系統(tǒng)的可能性就越大。噪音進入線纜之后，就會顯示為不同大小的電壓。在使用單端輸出編碼器的系統(tǒng)中，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)的接收側(cè)讀取錯誤的高低邏輯值，從而導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤的位置數(shù)據(jù)。這是個大問題！所幸差分線路驅(qū)動器接口可以妥善處理這種噪音。電纜長度超過1米時，奧凱特通常推薦使用差分線路驅(qū)動器。
使用差分線路驅(qū)動器時，需要使用雙絞線。雙絞線由A和A-信號線纜組成，它們在既定距離內(nèi)纏繞成指定圈數(shù)。使用這種類型的電纜，在一條信號線上產(chǎn)生的噪音會被同等地施加在另一條線上。如果A信號電壓驟升，A-信號同樣會遭遇驟升。因為差分接收器相互減去信號以獲得重構(gòu)信號，所以它將忽略兩條線上相同的噪音。差分接收器忽略兩條信號線上相同電壓的能力稱為共模抑制。差分線路驅(qū)動器接口具有抑制噪音能力，因而在工業(yè)和汽車應(yīng)用中得到普遍使用。