什么是增量編碼器信號-TTL電平、5V差分、長線驅(qū)動、RS422輸出
2020-4-3新聞
增量脈沖信號的方波，以電壓的高低（開關(guān)）電平脈沖式變化，與正余弦模擬量信號不同，方波脈沖信號是數(shù)字式開關(guān)邏輯信號。在高電平的時候邏輯為1，低電平的時候邏輯為0，這種編碼方式稱為編碼的正邏輯。反之以高電平為“0”低電平為“1”的編碼方式為負(fù)邏輯。絕大部分編碼器默認(rèn)正邏輯，部分日系編碼器（NPN）為負(fù)邏輯。
方波脈沖輸出有多種形式。
TTL（transistor transistor logic），TTL信號是數(shù)字信號的基礎(chǔ)，通常我們采用二進(jìn)制來表示數(shù)據(jù)。TTL電平信號規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。這樣的數(shù)據(jù)通信及電平規(guī)定方式，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)。這是計算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。TTL更多的是用于電路設(shè)計，各種芯片單片機(jī)的輸入輸出是TTL信號，它是相對于外部電纜傳輸?shù)妮^高電平HTL信號的低電平（5V），定義的數(shù)據(jù)1（5V）和0（0V）的邏輯電平信號。
5V差分信號：差分是以兩個信號之間的電壓差經(jīng)數(shù)學(xué)比較處理的概念，在增量脈沖信號中，它表明有每兩個信號一組，各自為反相（180度相位差）。5V差分信號是TTL信號每兩個信號一組，例如A+對A-，當(dāng)A+在5V=1的時候，A-在0V=0，邏輯等價與“1”；當(dāng)180度反相時A+在0V的時候，A-在5V，邏輯等價與“0”。
僅僅是在差分信號的定義上，兩個信號是平等的可以互換的，互換后邏輯反相。例如編碼器的5V差分信號A+與A-是可以互換接線的，互換后相位反180度，也即是信號增量方向與編碼器旋轉(zhuǎn)方向反向了，可以用這個方法改變編碼器輸出方向。
差分信號的目的是接收端可以通過差分信號處理消除傳輸線上的共模干擾。
差分信號在雙絞線上的傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)。差分的兩個信號交替高低電平信號變化，在一對雙絞線上配對傳輸，對外界的電磁場貢獻(xiàn)平均為無變化的，外界干擾變化的電磁場對其作用也就達(dá)到最小。雙絞的“絞”起來的作用，一是同時對于信號電流流向所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的反旋，以抵消因電流流向的法拉底原理產(chǎn)生的磁場；另一個是在雙絞線配對的兩個信號之間的電磁場平衡，防止這兩個信號之間串音，尤其是信號頻率較高的時候的串音。因此雙絞絞起來的節(jié)據(jù)與設(shè)計的需要傳輸信號的主要頻段有關(guān)。
差分信號以及配對的使用雙絞屏蔽線傳輸，是信號輸出與傳遞的較佳的具有電磁兼容性EMI和抗干擾特性。
差分信號的形式不僅僅是5V，不僅僅是方波信號。例如也可以是較高電平的5——30V的HTL信號的含反相差分，HTL-6；或者也可以是正余弦模擬量SINCOS信號，也是差分式的。
在5V差分信號的定義上，比TTL多了一點內(nèi)容，就是兩個互為反相信號一組的TTL信號。
長線驅(qū)動信號（line driver）：是指發(fā)送端與接收端有一對配對的長線驅(qū)動器，它們各自有正負(fù)兩個管腳，當(dāng)發(fā)送端正管腳為高電平往外推送信號電流時，接收端的正管腳為低電平往里拉信號電流（推拉式）。此時電流的方向與信號流的方向一致，視為邏輯1。
當(dāng)發(fā)送端正管腳為低電平時，接收端的正管腳為高電平，發(fā)送端相當(dāng)于往里拉電流，電流方向與信號流方向是反的，此時視為邏輯0。在發(fā)送端前面送入5VTTL信號，在接收端經(jīng)過差分后再送出5VTTL的信號。
長線驅(qū)動信號是有發(fā)送端與接收端各有一個長線驅(qū)動器配對，在邏輯1和邏輯0時都有信號放大推拉，并也是差分式的。信號走輸入單極性TTL~長線驅(qū)動（配對的推拉驅(qū)動）~接收端差分~單極性TTL輸出（進(jìn)計數(shù)器等）。由于有接收端配對的推拉驅(qū)動，長線驅(qū)動信號傳輸距離更“長線”。
典型的長線驅(qū)動器26LS31與26LS32配成一對。為5V 的差分式的。
長線驅(qū)動是基于一對配對的長線驅(qū)動器的偏向于對電子器件的描述，這種傳輸方式抗干擾強(qiáng)，驅(qū)動傳輸距離遠(yuǎn)，一般對于編碼器的5V差分長線驅(qū)動的描述可以傳400米（用專業(yè)的編碼器雙絞屏蔽電纜）。
長線驅(qū)動信號的定義往往取決于配對的長線驅(qū)動器件。不局限于5V。
長線驅(qū)動與5V差分的不同：
5V差分有兩種可能性：
三線制 ，電流回路對0V
二線制,電流回路不對0V
長線驅(qū)動只有第二種二線制的，電流回路不對0V。
RS422信號：Electronic Industries Association (EIA ) 國際電工協(xié)會(EIA) 定義的一個更廣泛的信號標(biāo)準(zhǔn)。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器采用差模傳輸，雙絞線。
RS422與TTL區(qū)別：不一定是5V，可以是5到24V；RS422定義了A+與A-的差模傳輸方式。
RS422與5V差分的區(qū)別：信號電壓范圍更廣，對于差分的數(shù)學(xué)與物理界面、傳輸?shù)碾娎|與接口接插頭等都有定義。在三線制模式，A+或A-即使在低電平，也可以大于0V。RS422信號的這種基點電壓大于0V，可以在傳輸線上允許有因阻抗而有電壓衰減，但差模后仍然能保持大于等于5V的差模電壓，因此傳輸距離可能比長線驅(qū)動的更遠(yuǎn)。其傳輸距離長度與信號頻率有關(guān)，在較低的信號頻率下最遠(yuǎn)可傳輸1000米。
歐系、日系編碼器在描述上的不一致不統(tǒng)一
由于歷史原因，先有歐系編碼器的TTL信號，然后再有雙極性的5V差分，以及基于長線驅(qū)動器件配對的長線驅(qū)動信號。歐系編碼器廠家為原有老客戶仍然保持了用TTL信號來表述5V差分信號（長線驅(qū)動）。需要注意的是，歐系的TTL目前大部分是默認(rèn)為5V差分的長線驅(qū)動的，但是歐系的TTL也有少部分是5V差分是可以對0V的三線的，也可以是兩線的長線驅(qū)動。如果是三線的也可以是單獨接A+,而可以不接A-(A-懸空)，作為單極性的TTL使用。一些簡單設(shè)計的設(shè)備中，5VTTL電平的ABZ即為這種三線制差分的簡化接線方式（只接AB信號），例如我參加的對歐洲塔式積熱式太陽能跟蹤反射板上供應(yīng)的增量編碼器，就是這種5VTTL的只接AB兩根線的，設(shè)計要求一樣要達(dá)到較遠(yuǎn)距離的傳輸與抗干擾能力。
如果是二線制的，不僅僅必須A+A-都要接上，而且需查產(chǎn)品手冊對應(yīng)尋找到匹配的接收單元與之配對。
歐系編碼器的TTL描述有三種可能：
1，雙極性的5V TTL，接收端封閉配對，接收端單元選型需與發(fā)送端查找配對使用（查產(chǎn)品手冊），A+A-都必須接。這是最多可能性，或者目前編碼器類以TTL表示的幾乎默認(rèn)的模式，目前主要為設(shè)備配套提供，較多的是運動控制器與伺服電機(jī)編碼器匹配。
2，單極性的5VTTL，，直接的電路板計算機(jī)處理器接口，可以只接AB信號。主要為設(shè)備電路設(shè)計者提供，可直接進(jìn)入計算機(jī)處理器CPU或者計數(shù)器芯片。
3，雙極性的5V TTL，三線式對0V的5V電平，接收端開放；它也可以是只接AB單極性信號，直接連接計算機(jī)處理器而省去信號接收芯片，與上述2兼容使用。但是原有差分輸出的模式在雙絞線上傳輸一樣用差分信號配對使用雙絞，同樣有部分雙絞傳輸抗干擾的作用。
4，目前5V差分（歐系仍以TTL表示）大部分用于運動控制器伺服電機(jī)編碼器，而自動化PLC上用更高電平的HTL信號（非差分式）。在變頻器的信號選用上，較佳的應(yīng)該是HTL-6,即含反相的HTL信號，較高電平的差分信號具有更好的抗變頻器干擾特性。
日系編碼器通常直接以5V line driver描述，需查手冊與發(fā)送端芯片配對使用。
日系編碼器更有NPN單極性反邏輯的信號輸出，接收端也必須是NPN極性的，它的信號電壓公共端在電源的高電平上，信號流開關(guān)是在0V上的“有”或“無”的“漏性”電流，信號的“1”和“0”是反的，在邏輯處理時需反向。不建議用上拉電阻臨時取電壓的不規(guī)范接法。
HTL含反相信號-(High Threshold Logic的縮寫)是“高閾值邏輯電路”，它的電壓閾值9--30V，大于5V TTL，目前較多的是以一對NPN+PNP三極管做成推挽式開關(guān)放大電路，兼容集電極開路放大器NPN和PNP。其中PNP接法為正邏輯，以電源0V為公共端；NPN接法為負(fù)邏輯，以電源高電平為公共端。HTL信號更多地用于PLC接口，尤其是歐系PLC為編碼器標(biāo)準(zhǔn)接口。
HTL信號可以用三線制差分模式（電流回路對0V,取電壓差比較差分接收）。同樣可以有HTL-6的含反相通道做成差分式接收（A+A-B+B-Z+Z-6通道HTL）。HTL-6可用在變頻器接收，因其電平閾值高、差分式可消除變頻器及電機(jī)的共模干擾，用于變頻器接收上抗干擾能力更強(qiáng)。
編碼器信號不匹配可能引起的錯誤：
編碼器信號不僅僅是有電壓差對應(yīng)，A+A-反相差分也有多種不同，所以并不是看見電壓是對的，或者看到是A+A-B+B-含反相的，還是只有ABZ沒有反相，就可以判斷是不是匹配的可以連接上去了。電壓對了ABZ接上去了，哪怕有信號能夠讀取到，并不代表就是有很好匹配的可以用了，這其中還有多種不匹配引起不良結(jié)果的可能性：
1，對0V的關(guān)系不同，三線的差分信號電流回路對0V，取電壓差比較；二線的差分信號電流回路與0V無關(guān)，僅為兩個互為差分信號自己構(gòu)成電流回路的正反電流回路。當(dāng)設(shè)備啟動時0V會有波動，如果信號不匹配極易被干擾甚至燒器件。對于有較大型電機(jī)在現(xiàn)場，或者有大型設(shè)備中的電磁線圈，在啟動瞬間的三相繞線不平衡，很有可能會在0V瞬間的波動而發(fā)生這種不預(yù)期狀況。
2，阻抗匹配的不同，針對于有封閉性配對要求的接收端，編碼器脈沖信號的阻抗與信號頻率有關(guān)，發(fā)送與接收阻抗匹配是有預(yù)先定義的，尤其是在高頻段阻抗的不匹配，將導(dǎo)致在編碼器脈沖頻率高時的信號丟失的“丟脈”，例如高分辨率編碼器或者高速旋轉(zhuǎn)中編碼器的頻率較高。針對長線驅(qū)動有接收端匹配要求的，需查手冊配對接收單元。
3，信號流與電流方向的一致性，如果不匹配將導(dǎo)致讀不到信號，甚至燒了器件。編碼器如果沒有反極性保護(hù)和短路保護(hù)，這種上去就燒器件的事情常有發(fā)生。
4，抗干擾性能的不同，只有匹配的信號，以及使用雙絞屏蔽電纜線，具有更好的抗干擾特性，并信號傳輸距離能達(dá)到標(biāo)稱的長度。雙絞電纜僅對差分的匹配的信號有利。單極性的信號或者不匹配的信號沒有形成配對，雙絞線失去了其設(shè)計使用的目的。
5，日系編碼器還有NPN集電極開路式的信號，這類信號接收端也必須是NPN，而且“1”和“0”的邏輯是反的，而不是用上拉電阻臨時救急用上去。我不推薦使用這類信號。對于編碼器信號輸出類別中，NPN信號可以被淘汰了。
6，目前國內(nèi)最典型的編碼器信號接口不匹配，是歐系PLC（例如西門子PLC）連日系編碼器（例如歐姆龍編碼器），看似電壓與ABZ都對，連上去也能讀取信號，但實際上是不匹配的，在頻率較高時抗干擾差，容易丟脈沖，甚至容易上電燒器件，應(yīng)避免這樣的連接。其次，是變頻器的信號接收應(yīng)選用差分式含反相的信號，HTL-6含反相6通道因為有更高的電壓閾值而更適合在變頻器中使用。而目前國內(nèi)變頻器接收的信號很多并不匹配，尤其是選用NPN集電極開路輸出信號，因其公共端不在0V，而電機(jī)接地是0V的，NPN接法是沖突的不匹配的。
