Paneelgemonteerde encoders - De basis begrijpen

Dit artikel gaat in op de elektrotechnische aspecten van roterende encoders voor paneelmontage. Deze apparaten zijn in wezen transductors die rotatieverplaatsingen omzetten in elektrische signalen voor het hostsysteem. Het mechanisme van de encoder bestaat uit het genereren van pulsen tijdens rotatie, waardoor een besturingsapparaat cruciale informatie kan onderscheiden, zoals richting, positie, aantal of snelheid.

Paneelgemonteerde encoders zijn van vitaal belang voor diverse industrieën. Ze zijn te vinden in industrieën zoals defensie en ruimtevaart, medisch, consumentengoederen, testen/ meten en nog veel meer. Dankzij de veelzijdigheid van encoders voor paneelmontage kunnen ze een rol spelen in diverse toepassingen, zoals cockpitbesturingen, studiomixers en audioapparatuur, elektronische lab- en instrumentatieopstellingen, motoraandrijvingen, enz. Vanwege hun veelzijdigheid zijn encoders voor paneelmontage de eerste keuze voor het maken van nauwkeurige besturingsinterfaces. Dit artikel verkent de fundamentele werking van roterende encoders voor paneelmontage en belicht de belangrijkste specificaties en overwegingen.

Basisprincipes van encoders voor paneelmontage

Als het gaat om roterende encoders, danken encoders voor paneelmontage hun naam eenvoudigweg aan het feit dat ze fysiek op panelen zijn bevestigd. Deze apparaten dienen voornamelijk menselijke interfacefuncties, zoals de volumeknop op een stereo-installatie. Hun rol is om gebruikers in staat te stellen verschillende systeemparameters te manipuleren, waarbij ze fungeren als doorgeefluik tussen de gebruiker en de systeemprocessor.

Als u roterende encoders voor paneelmontage vergelijkt met potentiometers, een andere component voor paneelmontage met een vergelijkbare rotatie-naar-signaal vertaalfunctie, dan ziet u duidelijke voordelen. Paneelgemonteerde encoders hebben strakkere productietoleranties, wat resulteert in een hogere nauwkeurigheid en consistentie. Bovendien sluiten hun digitale uitgangen naadloos aan op hedendaagse digitale apparaten, waardoor er geen analoog-naar-digitaal convertors meer nodig zijn, waardoor de kosten en mogelijke fouten afnemen. Maar voor wie nieuwsgierig is naar potentiometers, biedt het artikel van Same Sky, "The Complete Guide to Potentiometers ", een uitgebreide verkenning van deze vergelijkbare, maar verschillende componenten.

Specificaties en overwegingen voor paneelgemonteerde encoders

Verschillende belangrijke specificaties en overwegingen verdienen nadere aandacht wanneer we ons verdiepen in de specifieke kenmerken van roterende encoders voor paneelmontage. PPR, of pulsen per omwenteling, springt eruit als een bepalende metriek, die de resolutie van de encoder kwantificeert door het aantal blokgolfpulsen aan te geven dat per omwenteling van 360 graden wordt gegenereerd (Afbeelding 1). De resolutie kan ook worden opgegeven in CPR (tellingen per omwenteling), berekend als PPR vermenigvuldigd met 4, wat staat voor het aantal kwadratuurstaatveranderingen per omwenteling. Voor een uitgebreid begrip van deze meetwaarden is het artikel van Same Sky met de titel "What’s the Difference Between an Incremental Encoder’s PPR, CPR, and LPR?" een waardevolle bron.

Afbeelding 1: Pulsen worden gemeten als golfvormen van het ene identieke punt naar het volgende. (Bron afbeelding: Same Sky)

Vastzetters, een integraal onderdeel, dragen bij aan gebruikersfeedback doordat ze hoorbaar "vastklikken" tijdens het draaien van de as. De vastzetters, die worden gespecificeerd in termen van klikken per 360-graden rotatie, dienen om onbedoelde rotaties te voorkomen en geven een voelbare indicatie bij specifieke bewegingsgraden van de as.

De drukschakelaarfunctie voegt een extra gebruikersingangssignaal toe aan de functionaliteit van de encoder. Door de encoderas omlaag te drukken, wordt een eenvoudige SPST-schakelaar geactiveerd. Deze functie wordt vaak gebruikt om functies te selecteren die moeten worden gemanipuleerd door aan de encoderknop te draaien.

Roterende encoders maken gebruik van vierkante golven met twee kanalen die 90 elektrische graden verschoven zijn om de richting te onderscheiden. De relatieve faseverschuiving tussen deze kanalen maakt de detectie van het leidende kanaal mogelijk, waardoor een betrouwbare indicator van de draairichting wordt verkregen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Detectie van het leidende signaal maakt het mogelijk om rotatie met de klok mee of tegen de klok in te controleren. (Bron afbeelding: Same Sky)

In het streven naar een betere resolutie kiezen veel toepassingen voor kwadratuur toestandsveranderingen, waarbij één cyclus een overgang van laag naar hoog omvat voordat deze weer teruggaat naar laag op beide kanalen. Deze benadering verhoogt effectief het aantal tellingen per omwenteling, waardoor de resolutie en precisie van de encoder bij het volgen van rotatiebewegingen worden verhoogd. Het is een slimme strategie om meer gedetailleerde informatie uit elke omwenteling te halen, waardoor de prestaties van de encoder in diverse toepassingen worden geoptimaliseerd.

Afbeelding 3: Kwadratuur waarheidstabel. (Bron afbeelding: Same Sky)

Om encoders voor paneelmontage aan te sluiten op microcontrollers moet een circuit worden gemaakt waarbij de microcontroller stroom opwekt en een pad naar V+ biedt, terwijl de encoder een pad naar massa biedt. Deze samenwerking vormt een compleet circuit dat naadloze communicatie tussen de encoder en de microcontroller mogelijk maakt. De term "open collector" wordt ook door elkaar gebruikt met "sinks", om aan te geven dat de collector van de uitgangstransistor zich buiten het apparaat bevindt. Het draait allemaal om het opzetten van effectieve elektrische paden voor gegevensuitwisseling.

Het is ook belangrijk om te onderscheiden dat microcontrollers verschillende telmethoden gebruiken:

1. Pulsen op één kanaal: Deze eenvoudige methode wijst 1 telling per puls toe, wat het telproces vereenvoudigt voor toepassingen waar een basistelling voldoende is.
2. Pulsen op twee kanalen: Door beide kanalen te gebruiken wordt de telling effectief verdubbeld, wat een meer gedetailleerde en nauwkeurige weergave van de beweging van de encoder biedt.
3. Kwadratuur statusveranderingen: Door te kiezen voor kwadratuur toestandsveranderingen wordt voordeel gehaald uit de vier tellingen per cyclus, wat een nog hogere resolutie en precisie oplevert bij het volgen van rotatieverschuivingen.

Mechanisch vs. optisch

Over het algemeen werken encoders voor paneelmontage met twee primaire technologieën: mechanisch en optisch.

Mechanische encoders werken als een reeks schakelaars en maken gebruik van een codewiel met contacten die gelijkmatig verdeeld zijn langs de buitenrand. Tegelijkertijd wordt een stationair contact bevestigd aan het chassis van de encoder (Afbeelding 4). Terwijl het codewiel draait, maakt het één voor één contact met de codewielcontacten en onderbreekt het dit contact. Dit cyclisch in- en uitschakelen in het circuit produceert spanningspulsen, een mechanisme dat fundamenteel is voor de omzetting van rotatiebeweging in elektrische signalen.

Afbeelding 4: Interne werking van een mechanische encoder. (Bron afbeelding: Same Sky)

Het is cruciaal om te benadrukken dat mechanische encoders, die in wezen functioneren als een reeks mechanische schakelaars, debounce-schakelingen en programmering nodig hebben om een bruikbare uitvoer te garanderen. In een ideaal scenario zou een schakelaar een duidelijke aan/uit-status hebben, maar in de praktijk zijn er complicaties. Schakelaars kunnen zweven of stuiteren tussen deze toestanden, wat leidt tot een vervormd signaal. Dit stuiterende fenomeen, dat bekend staat als switch bounce, kan verkeerd geïnterpreteerd worden als extra pulsen, waardoor onnauwkeurigheden in het systeem worden geïntroduceerd.

Om switch bounce te beperken, worden debounce-schakelingen gebruikt (Afbeelding 5). Dit circuit is ontworpen om de uitgang "recht te zetten", zodat het signaal nauwkeurig de bedoelde aan/uit-toestanden weergeeft zonder de interferentie van stuiterende of zwevende effecten. Deze aandacht voor signaalintegriteit is essentieel voor betrouwbare en nauwkeurige prestaties in de context van mechanische encoders.

Afbeelding 5: Debounce-schakelingen helpen om de uitvoer van een mechanische encoder "recht te zetten". (Bron afbeelding: Same Sky)

Anderzijds bestaan optische encoders uit drie fundamentele onderdelen: een lichtbron, een lichtdetector en een codewiel. Hieronder volgt een overzicht van hun werking:

1. Lichtbron: Deze component straalt licht uit.
2. Lichtdetector: De detector bevindt zich tegenover de lichtbron en detecteert het uitgezonden licht.
3. Codewiel: Het codewiel bevindt zich tussen de lichtbron en de detector en heeft gelijkmatig verdeelde sleuven. Deze spleten laten afwisselend licht door of blokkeren het.

Bij de operationele cyclus schijnt de lichtbron door de spleten in het codewiel. De detector registreert veranderingen in lichtintensiteit op basis van of de spleten het licht doorlaten of tegenhouden. Interne circuits reageren door de uitgang in of uit te schakelen, afhankelijk van de detectie of blokkering van licht. Dankzij dit mechanisme kunnen optische encoders positie-informatie effectief omzetten in elektrische signalen.

Afbeelding 6: Interne werking van een optische encoder. (Bron afbeelding: Same Sky)

Om deze vergelijking af te ronden: mechanische encoders zijn kosteneffectief en veelzijdig met een breed spanningsbereik. Ze hebben echter debounce-schakelingen nodig voor een betrouwbaar signaal en hebben een kortere levensduur. Aan de andere kant zijn optische encoders over het algemeen duurder, maar ze hebben een langere levensduur. Ze leveren een zuiverder uitgangssignaal zonder dat er debounce-schakelingen nodig zijn. Bovendien kunnen optische encoders in precisietoepassingen hogere resoluties bieden.

Conclusie

Paneelgemonteerde encoders zullen een plaats blijven vinden in diverse gebruikersinterfacetoepassingen in een groot aantal industrieën. Een goed begrip van de beschikbare encodertechnologieën, essentiële specificaties en ontwerpoverwegingen is essentieel voor een optimale apparaatkeuze. Same Sky biedt een reeks mechanische en optische encoders voor paneelmontage, die aan vrijwel alle ontwerpvereisten voldoen. Naast hun encoders voor paneelmontage bieden de capacitieve AMT roterende encoders van Same Sky nauwkeurigheid en duurzaamheid die andere encodertechnologieën niet bieden.