Ein Vergleich häufiger Drehgeber-Ausgangssignale

31. Juli 2018 Verfasst von Jason Kelly

Ein Vergleich häufiger Drehgeber-Ausgangssignale

Wenn es um die Auswahl eines Drehgebers für eine Motion-Control-Anwendung geht, müssen eine Reihe von Entscheidungen getroffen werden. Ein Techniker, der einen Sensor spezifiziert, muss entscheiden, ob seine Anwendung einen Inkremental-, Absolut- oder Kommutierungsdrehgeber benötigt. Sobald bekannt ist, welcher Typ benötigt wird, gibt es eine Liste anderer Parametern, die zu berücksichtigen sind, darunter: Auflösung, Montagemuster, Motorwellengröße und mehr. Zusätzlich (und manchmal übersehen) ist der Drehgeber-Ausgangssignaltyp erforderlich. Die Antwort ist nicht immer klar. Deshalb werden wir uns in diesem Beitrag die drei wichtigsten Arten von Ausgaben ansehen, die auf so ziemlich jedem Drehgeber zu finden sind: Open-Collector-, Push-Pull- und Differenzial-Leitungstreiber. Diese drei Arten von Ausgaben beschreiben die physikalische Ebene der digitalen Kommunikation.

Ungeachtet dessen, ob es sich um einen Quadraturausgang eines Inkrementaldrehgebers, einen Motorpolausgang eines Kommutierungsdrehgebers oder eine serielle Schnittstelle handelt, die ein spezifisches Protokoll verwendet: Alle diese Signale sind digital und haben einen hohen und einen niedrigen Zustand. Dies bedeutet, dass bei einem 5-V-Drehgeber die Signale immer zwischen 0 V (Masse), was niedrig ist, oder binär 0 und 5 V, was hoch ist, oder einer binären 1 wechseln. In diesem Beitrag werden wir uns auf Inkrementaldrehgeber-Ausgänge konzentrieren, die eine grundlegende Rechteckwelle liefern.

Zeichnung einer typischen digitalen 5-V-Rechteckwelle
Typische digitale 5-V-Rechteckwelle

Open-Collector-Ausgänge

Die meisten Drehcodierer auf dem Markt verfügen über einen Open-Collector-Ausgang. Dies bedeutet, dass die Ausgabe eines digitalen Signals niedrig zur Masse gesteuert werden kann, und wenn das Signal hoch sein soll, wird die Ausgabe lediglich unterbrochen. Der Ausgang wird als Open-Collector bezeichnet, da der Kollektorstift am Transistor unbeschaltet bleibt oder unterbrochen ist, wenn das Eingangssignal hoch ist.

Zeichnung eines Bipolartransistors, wie er in Open-Collector-Drehgebern verwendet wird
Bipolartransistor, wie er in Open-Collector-Drehgebern verwendet wird

Um mit diesem Gerät verbunden zu werden, ist ein externer Widerstand erforderlich, um den Kollektor auf den gewünschten hohen Spannungspegel „hochzuziehen“. Dies ist ein nützlicher Ausgabetyp, wenn der Techniker versucht, mit einem System mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu kommunizieren. Der Kollektor könnte hochgezogen werden, um niedrigere oder höhere Spannungspegel zu erreichen, als die, auf denen der Drehgeber arbeitet.

Zeichnung eines Pull-up-Widerstands, der extern zu einem Open-Collector-Drehgeber hinzugefügt wird
Pull-up-Widerstand, der extern zu einem Open-Collector-Drehgeber hinzugefügt wird

Die Nachteile dieser Schnittstelle überwiegen jedoch häufig die Fähigkeit, die Spannungspegel des Drehgebers zu ändern. Es ist nicht übermäßig schwierig, externe Widerstände zu Open-Collector-Drehgebern hinzuzufügen. Bei vielen Standard-Controllern sind sie bereits eingebaut, doch diese externen Widerstände verbrauchen beim Betrieb Strom und beeinflussen das Ausgangssignal, da sie seine Eigenschaften mit der Frequenz ändern. Betrachten Sie noch einmal die Rechteckwelle eines Inkrementaldrehgebers, doch dieses Mal mit extremer Vergrößerung einer seiner Zustandsänderungen. Wir stellen uns vor, dass digitale Signale sofort von niedrig zu hoch wechseln, aber wir wissen natürlich, dass alles seine Zeit braucht. Diese Zeitverzögerung bezeichnen wir als Anstiegsrate.

Vergrößerung einer quadratischen Welle mit niedrigerer Anstiegsrate
Vergrößerung einer quadratischen Welle mit niedrigerer Anstiegsrate

Im Falle von Open-Collector-Ausgängen wird die Anstiegsrate durch den Widerstand des Pull-up-Widerstands beeinflusst, da der Widerstand in einer RC-Zeitschaltung als R wirkt. Niedrigere Anstiegsraten bedeuten eine reduzierte Arbeitsgeschwindigkeit des Drehgebers (und/oder eine reduzierte Auflösung bei Inkrementaldrehgebern). Die Anstiegsraten können durch niederwertige Widerstände (stärkere Pull-ups) verbessert werden. Doch dieser Kompromiss bedeutet, dass das System mehr Leistung verbraucht, da dieser Pull-up-Widerstand mehr Strom ziehen muss, wenn das Signal niedrig ist.

Push-Pull-Ausgänge

Die beste Antwort auf die Nachteile einer Open-Collector-Schnittstelle ist eine Push-Pull-Konfiguration. Beim Push-Pull werden zwei Transistoren statt nur einem verwendet. Der obere Transistor wirkt als aktiver Pull-up, während der untere Transistor genauso arbeitet, wie der Transistor in einer Open-Kollektor-Konfiguration. Push-Pull-Konfigurationen ermöglichen schnelle digitale Übergänge mit schnelleren Anstiegsraten, als sie mit Widerständen erreicht werden können, die die Signalleitungen aufbereiten. Ohne Widerstände, die die Leistung ableiten, weist dieser Ausgangstyp auch einen niedrigeren Stromverbrauch auf. Daher ist der Push-Pull-Ausgang eine viel bessere Option für batteriebetriebene Anwendungen, bei denen die verfügbare Leistung knapp ist.

Zeichnung einer Push-Pull-Transistorkonfiguration
Push-Pull-Transistorkonfiguration

Alle Single-Ended-AMT-Drehgeber von CUI setzten den Push-Pull-Ausgangstyp ein. Für die Verbindung mit den Ausgängen der AMT-Drehgebermodelle sind keine externen Pull-ups erforderlich. Dies erleichtert das Testen und Prototyping erheblich und erfordert weniger Material, um etwas zum Laufen zu bringen. Zu beachten ist, dass der Ausgang des AMT-Drehgebers im Datenblatt als CMOS bezeichnet wird. Das zeigt einfach, wie das Schnittstellengerät die hohen und niedrigen Spannungspegel interpretieren sollte, die es vom Push-Pull-Ausgang zu sehen bekommt. Diese hohen und niedrigen Werte unterscheiden sich von Gerät zu Gerät. Daher sollte das Datenblatt des gewünschten Produkts zurate gezogen werden.

Differenzielle Leitungstreiberausgänge

Während Push-Pull-Drehgeber gegenüber ihren Open-Collector-Vorgängern eine Leistungssteigerung bieten, sind sie aufgrund ihrer Single-Ended-Ausgänge nicht unbedingt die richtige Option für jedes Projekt. Wenn für eine Anwendung eine große Kabellänge erforderlich ist oder wenn die verwendeten Kabel starkem elektrischem Rauschen und Störungen ausgesetzt sind, ist ein Drehgeber mit einem differenziellen Leitungstreiberausgang die beste Wahl. Differenzielle Ausgänge werden mit der gleichen Transistorkonfiguration wie Gegentaktausgänge erzeugt. Doch anstatt eines Signals werden zwei Signale erzeugt. Diese Signale werden als Differenzpaar bezeichnet. Eines der Signale entspricht dem ursprünglichen Signal, während das andere das genaue Gegenteil des ursprünglichen Signals ist. Deshalb wird es manchmal als ein komplementäres Signal bezeichnet.

Bei einem Single-Ended-Ausgang referenziert der Empfänger das übertragene Signal immer gegen eine gemeinsame Masse. Bei langen Verkabelungsabständen, bei denen die Spannung abfällt und die Anstiegsraten abnehmen, treten jedoch häufig Signalfehler auf. Bei einer differenziellen Anwendung erzeugt der Host das ursprüngliche Single-Ended-Signal, das sich dann zu einem differenziellen Sender bewegt. Dieser Sender erzeugt das differenzielle Paar, das über die Verkabelung ausgesendet wird. Da zwei Signale erzeugt werden, referenziert der Empfänger den Spannungspegel nicht mehr gegen die Masse, sondern referenziert ein Signal gegen das andere. Dies bedeutet, dass der Empfänger nicht nach bestimmten Spannungspegeln Ausschau hält, sondern immer auf den Unterschied zwischen den beiden Signalen achtet. Der Differenzialempfänger stellt aus dem Signalpaar dann wieder ein Single-Ended-Signal her, das vom Host-Gerät unter Verwendung der vom Host benötigten geeigneten Logikpegel interpretiert werden kann. Diese Art von Schnittstelle ermöglicht es auch Geräten mit unterschiedlichen Spannungspegeln, über die Kommunikation zwischen den differenziellen Transceivern zusammenzuarbeiten. All dies arbeitet zusammen, um die Signalverschlechterung zu überwinden, die bei einer Single-Ended-Anwendung über lange Kabelstrecken aufgetreten wäre.

Zeichnung, die den Signalverlauf eines differenziellen Leitungstreibers zeigt
Drehgeber-Ausgang wird vom differenziellen Treiber weitergeleitet und vom Empfänger rekonstruiert

Die Signalverschlechterung ist jedoch nicht das einzige Problem, das bei langen Kabelstrecken auftritt. Je länger die Verkabelung innerhalb eines Systems ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass elektrisches Rauschen und Interferenzen in die Kabel und schließlich in das elektrische System gelangen. Wenn das Rauschen die Verkabelung beeinflusst, zeigt es sich als Spannungen unterschiedlicher Größe. In Systemen mit Single-Ended-Drehgebern kann dies dazu führen, dass die Empfangsseite des Systems falsche hohe und niedrige logische Werte liest, was zu fehlerhaften Positionsdaten führt. Das ist ein massives Problem! Glücklicherweise sind die differenziellen Leitungstreiber-Schnittstellen gut gerüstet, um mit diesem Rauschen fertig zu werden. CUI empfiehlt in der Regel die Verwendung eines differenziellen Leitungstreibers für Kabellängen über 1 Meter.

Bei der Verwendung von differenziellen Leitungstreibern ist eine Twisted-Pair-Verkabelung erforderlich. Eine Twisted-Pair-Verkabelung besteht aus A- und A-Minus-Signalen, die mit einer bestimmten Anzahl von Windungen über eine bestimmte Entfernung miteinander verbunden sind. Bei dieser Art von Kabel wird das Rauschen, das von einer Signalleitung erzeugt wird, gleichmäßig auf die paarweise Leitung verteilt. Wenn eine Spannungsspitze am Signal A auftritt, wird sie gleichermaßen an das Signal A- angelegt. Da der Differenzialempfänger die Signale voneinander subtrahiert, um das rekonstruierte Signal zu erhalten, ignoriert er das Rauschen, das auf beiden Leitungen gleich auftritt. Die Fähigkeit des Differenzialempfängers, Spannungen zu ignorieren, die auf beiden Signalleitungen gleich sind, wird als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet. Aufgrund der Rauschunterdrückungsfähigkeiten sind differenzielle Leitungstreiberschnittstellen in industriellen und automobilen Anwendungen üblich.

Beispielzeichnung, die einen Differenzialempfänger zeigt, der das Rauschen ignoriert, das beiden Signalen gemeinsam ist
Differenzialempfänger, der das Rauschen ignoriert, das beiden Signalen gemeinsam ist

Durch das Verständnis der verschiedenen Drehgeber-Ausgabetypen und ihrer Vor- und Nachteile kann ein Ingenieur den optimalen Ausgabetyp für seine Anwendung besser auswählen. Die AMT-Drehgeber von CUI werden alle mit Push-Pull-Ausgängen für geringen Stromverbrauch und einfache Installation angeboten. Differenziale Leitungstreiberoptionen sind auch in vielen Modellen für anspruchsvollere Anwendungen verfügbar.

Hilfreiche Ressourcen

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Jason Kelly

Jason Kelly

Bewegungstechnik und Anwendungstechniker

Als Konstrukteur für CUI-AMT-Drehgeber und Bewegungssteuerungs-Produkte arbeitet Jason Kelly intensiv an neuen Drehgeber-Designs, einschließlich der Erstellung von Zubehör, Software-Schnittstellen und Kunden-Tools. Sein Schwerpunkt auf führendem Engineering-Design und maßgeblichen -Praktiken zeigt sich deutlich in den innovativen AMT-Drehgebern von CUI sowie bei der Unterstützung von Kunden auf diesem Gebiet. Wenn er nicht im Labor am Design arbeitet, ist Jason damit beschäftigt, sein Haus umzubauen, an seinem Truck zu tüfteln und die Geheimnisse der Natur des pazifischen Nordwestens mit seiner Frau und seiner Familie zu erforschen.

 
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