Typy wyjść enkoderów i sposoby ich podłączania

Portal Automatyki Pomiarów i Elektroniki zaprasza do zapoznania siÄ™ z cyklem artykułów dotyczÄ…cych standardów ukÅ‚adów wejść - wyjść. W  obecnym artykule przedstawione zostanÄ… typy wyjść wystÄ™pujÄ…ce w enkoderach inkrementalnych. Pokazane zostanÄ… także sposoby podÅ‚Ä…czania enkoderów inkrementalnych do różnego typu najczęściej spotykanych wejść w urzÄ…dzeniach automatyki. 

SygnaÅ‚y wyjÅ›ciowe w enkoderze inkrementalnym 

Enkoder inkrementalny posiada zazwyczaj dwa sygnały wyjściowe, oznaczane najczęściej jako A i B. Są to sygnały prostokątne (0 lub 1) przesunięte względem siebie w fazie o 90. Dzięki przesunięci tych dwóch sygnałów możliwe jest odczytanie kierunku obrotów enkodera. Poniższy rysunek przedstawia przebiegi na wyjściach A i B enkodera. Szerokość impulsów zależy od prędkości obrotowej i rozdzielczości enkodera (ilości impulsów generowanych na pełen obrót).

Rys.1 Przebiegi na wyjściu enkodera inkrementalnego w zależności od kierunku obrotów.

Oprócz sygnałów A i B enkodery posiadajÄ… czÄ™sto dodatkowy sygnaÅ‚ C (zwany indeksem lub zerem), który generowany jest w postaci krótkiego impulsu raz na peÅ‚en obrót osi enkodera (nie jest on jednak konieczny do odczytu prÄ™dkoÅ›ci, pozycji czy kierunku obrotów enkodera, dlatego zostanie pominiÄ™ty w dalszych opisach).

W enkoderach sygnały A i B występują czasami dodatkowo w postaci zanegowanej (/A, /B). Przykładowo, jeśli na wyjściu A jest stan wysoki (np. +24 V) na wyjściu zanegowanym /A jest 0V i odwrotnie. Wyprowadzone wyjścia proste (A, B) i zanegowane (/A, /B) pozwalają na przesyłanie sygnału kwadratury na większe odległości, gdyż sygnał taki jest bardziej odporny na zakłócenia (sygnał różnicowy).

Typy wyjść enkoderów inkrementalnych 

W enkoderach inkrementalnych wystÄ™pujÄ… najczęściej wyjÅ›cia typu Open Collector, Line Driver, Push-Pull,  TTL. Poniżej zostanÄ… dokÅ‚adnie omówione.

WyjÅ›cie typu "Open Collector" -  OC

Wyjście typu Open Collector (NPN) stosowane jest dla wejść sterowników typu źródło (source). W stanie załączenia (sygnał enkodera = 1) na wyjściu typu OC panuje stan 0V (zwarcie do GND). W stanie wyłączenia na wyjściu brak jest sygnału (wyjście "wisi" w powietrzu).

Podstawową zaletą tego typu wyjścia jest niski koszt wykonania. Z racji na sporą podatnośc na zakłócenia, wyjście to nie nadaje się na przesyłanie sygnałów na większe odległości (> 10m) lub w miejscach, gdzie występują duże zakłócenia.

Dla tego typu wyjścia nie występują sygnały zanegowane (/A,/B).

Rys.2 WyjÅ›cie typu Open Collector (OC). 

WyjÅ›cie typu "Push-Pull" -  PP

Wyjście typu Push-Pull posiada dwa stany aktywne. W stanie załączenia na wyjście podawane jest napięcie zasilania (+VCC) , a w stanie wyłączenia na wyjście podawany jest sygnał masy (GND).

Główną zaletą tego typu wyjścia jest zdolność do przesyłania większych prądów (brak stanu w którym wyjście wisi w powietrzu, brak stanów nieustalonych doprowadzanych do wejścia sterownika). Pozwala to na przesyłanie sygnałów na znacznie większe odległości oraz na pracę w zakłóconym otoczeniu.

 

 

 Rys.3 WyjÅ›cie typu Push-Pull (PP). 

 

WyjÅ›cie typu "Line Driver" -  Nadajnik Linii

Wyjście typu Line Driver (Nadajnik Linii) zbudowane jest tak jak wyjście typu Push-Pull lecz oprócz wyjść A i B występują także dodatkowe sygnały zanegowane (/A, /B), pozwalające na różnicowe przesyłanie sygnałów, co zwiększa maksymalny zasięg transmisji.

WyjÅ›cie tego typu pozwala na obciążenie prÄ…dem do 30mA, a napiÄ™cie wyjÅ›ciowe w stanie wysokim wynosi zazwyczaj +5V.

 

 

 

Rys.4 Wyjście typu Line Driver (Nadajnik Linii).

 

Wyjście typu TTL

ZdarzajÄ… siÄ™ enkodery (zasilane najczęściej z +5V) posiadajÄ…ce wyjÅ›cie w standardzie TTL, które zbliżone jest do wyjÅ›cia typu Push-Pull. Różnica polega na przystosowaniu wyjÅ›cia do poziomu napięć akceptowalnych przez ukÅ‚ady cyfrowe, w których stan wysoki (1) jest uznawany za napiÄ™cie > 3,6V, a stan niski (0) za napiÄ™cie <0,2V. Dlatego na wyjÅ›ciu takiego enkodera wystÄ™puje stan niski 0...0,2V lub stan wysoki 3,6...5V. PrÄ…d pobierany z takiego wyjÅ›cia, o ile producent nie poda inaczej, nie powinien przekraczać 20mA.

Wyjście TTL może występować także jako Line Driver - wówczas enkoder posiada dodatkowe sygnały zanegowane /A i /B, które również pracują w standardzie napięć TTL.

Podłączanie enkodera inkrementalnego

Sposób podłączenia enkodera inkrementalnego do sterownika (czy innego układu współpracującego z enkoderem) uzależniony jest od typu wyjścia enkodera oraz typu wejścia sterownika. Zależy także od napięcia zasilania enkodera.

Enkodery o zasilaniu 12...24 VDC (Open Collector, Line Driver, Push-Pull)

Enkodery zasilane napięciem 12...24V posiadają zazwyczaj wyjścia w standardzie Open Collector, Push-Pull lub Line Driver. Mogą być podłączane do wejść (zazwyczaj optoizolowanych) przyjmujących napięcia w standardzie 24V. Enkodery te mogą być także podłączane do wejść optoizolowanych pracujących w standardzie 5V, jednak wówczas niezbędne jest dodanie rezystora ograniczającego prąd w szereg z liniami danych. Wartość takiego rezystora powinna wynosić około 1,5 Kohm.

Poniżej przedstawiono przykłady możliwych podłączeń w zależności od typu wyjść enkodera i typu wejść sterownika.

Enkodery z wyjściem typu Open Collector

Enkodery o wyjÅ›ciach typu Otwarty Kolektor mogÄ…  mogÄ… współpracować tylko z wejÅ›ciami różnicowymi (Rys.5) (osobno sygnaÅ‚y + i - dla każdego z wejść). Po dodaniu dodatkowych rezystorów podciÄ…gajÄ…cych mogÄ… sterować także wejÅ›ciami pracujÄ…cymi w standardzie TTL (Rys.6).

Rys.5 Enkoder z wyjściem typu OC podłączony do sterownika z wejściami różnicowymi.	Rys.6 Enkoder z wyjściem typu OC podłączony do sterownika z wejściami w standardzie TTL. R - rezystory podciągające o wartości 1...47 kohm.

Enkodery z wyjÅ›ciem typu Push-Pull 

Enkodery z wyjÅ›ciami typu Push-Pull mogÄ… sterować zarówno wejÅ›ciami ze wspólnÄ… masÄ… (Rys.7), wspólnym sygnaÅ‚em + (nie pokazano)  jak i wejÅ›ciami różnicowymi (Rys.8).

Rys.7 Enkoder z wyjściem typu PP podłączony do sterownika z wejściami ze wspólną masą.	Rys.8 Enkoder z wyjściem typu PP podłączony do sterownika z wejściami rożnicowymi.

Enkodery z wyjściem typu Line Driver

Enkodery z wyjściami typu Nadajnik Linii mogą współpracować z wejściami ze wspólną masą (Rys. 9). Można je także podłaczyć jak enkoder z wyjściem Push-Pull do wejścia różnicowego (Rys. 8) jednak z racji na dostępny sygnał prosty i zanegowany dedykowane są do współpracy wejściami rożnicowymi podłączonymi jak na Rys. 10. Takie podłączenie zapewnia najlepszą odporność na zakłócenia i pozwala na przesyłanie sygnałów na znacznie większe odległości niż dla innych przypadków.

Rys.9 Enkoder z wyjÅ›ciem typu Line Driver podÅ‚Ä…czony do sterownika z wejÅ›ciami ze wspólnÄ… masÄ….	Rys. 10 Enkoder z wyjÅ›ciem typu Line Driver podÅ‚Ä…czony do sterownika z wejÅ›ciami różnicowymi.

Enkodery o zasilaniu +5V (TTL)

Rzadzej spotykane w automatyce. Enkodery te zasila siÄ™ zawsze staÅ‚ym napiÄ™ciem +5V, a ich wyjÅ›cia wykonane sÄ… zazwyczaj w standardzie TTL. Enkoder taki może być podÅ‚Ä…czony do sterownika posiadajÄ…cego wejÅ›cia w standardzie TTL, lub  5V. Enkoder ten nie bÄ™dzie dziaÅ‚aÅ‚ ze sterownikami, które wymagajÄ… podawania sygnałów +12...+24V.