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Comprendre les signaux de sortie d'un codeur pour choisir le meilleur dispositif

Par Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices

Les contrôleurs moteurs nécessitent généralement un codeur pour détecter la position du rotor et/ou sa vitesse. Pour choisir un dispositif adapté, un ingénieur doit prendre en compte plusieurs aspects, à commencer par le type de codeur nécessaire pour l'application : incrémental, absolu ou de commutation. Une fois cette décision prise, il doit alors prendre en compte d'autres paramètres, comme la résolution, le schéma de montage, la taille de l'arbre moteur, etc.

La sélection du type de signal de sortie le plus adapté n'est pas toujours évidente et est souvent négligée. Les trois types les plus courants sont les suivants : collecteur ouvert, push-pull et circuit d'attaque de ligne différentiel. Cet article explique chaque type de signal de sortie afin d'aider les ingénieurs à choisir un dispositif adapté aux besoins de leur application.

Principes de base

Chaque type de signal de sortie d'un codeur est numérique, qu'il s'agisse de la sortie en quadrature d'un codeur incrémental, de la sortie des pôles moteurs d'un codeur de commutation ou d'une sortie série respectant un protocole spécifique. De ce fait, pour un codeur de 5 V, les signaux commutent toujours entre une valeur proche de 0 V et une valeur proche de 5 V, ce qui correspond à un 0 ou un 1 logique. La sortie d'un codeur incrémental est donc une onde carrée basique, comme illustré à la Figure 1.

Schéma de la sortie générique en signaux carrés d'un codeur numériqueFigure 1 : Sortie générique en signaux carrés d'un codeur numérique. (Source de l'image : CUI Devices)

Sortie à collecteur ouvert

La sortie à collecteur ouvert (Figure 2) est la plus courante parmi les codeurs rotatifs. Cela signifie que la broche du collecteur au niveau du transistor reste ouverte (ou déconnectée) lorsque le signal d'entrée est haut. Lorsque la sortie doit être basse, elle est conduite à la terre.

Schéma d'une sortie à collecteur ouvertFigure 2 : Schéma d'une sortie à collecteur ouvert. (Source de l'image : CUI Devices)

Étant donné que la sortie est déconnectée lorsque le signal est haut, une résistance externe d'excursion haute est nécessaire pour garantir que la tension au niveau du collecteur atteint la valeur souhaitée afin d'indiquer un 1 logique. Cela permet aux ingénieurs d'interconnecter des systèmes qui fonctionnent à des tensions différentes. Le collecteur peut être amené à l'état haut à une tension supérieure ou inférieure à la tension de fonctionnement du codeur (Figure 3).

Schéma de la sortie d'un collecteur définie à l'état haut à une tension adaptéeFigure 3 : La sortie du collecteur peut être définie à l'état haut à une tension adaptée pour interfacer avec un système externe. (Source de l'image : CUI Devices)

D'un autre côté, cette interface présente quelques inconvénients. Les résistances d'excursion haute, qui sont déjà intégrées à de nombreux contrôleurs prêts à l'emploi, consomment un courant fini et dissipent donc de la puissance. En outre, combinée à une capacité de circuit parasite, la résistance peut ralentir la transition de la sortie entre les hautes et les basses tensions. La pente de cette transition (Figure 4) est appelée « vitesse de balayage ».

Schéma du ralentissement de la transition de la tension de sortie par une résistance d'excursion haute.Figure 4 : La résistance d'excursion haute ralentit la transition de la tension de sortie lorsque la sortie change d'état. (Source de l'image : CUI Devices)

En diminuant la vitesse de balayage, la résistance d'excursion haute limite en réalité la vitesse de fonctionnement du codeur, ce qui peut entraîner une réduction de la résolution d'un codeur incrémental. Le fait de réduire la valeur de la résistance peut augmenter la vitesse de commutation, mais aussi la dissipation de puissance en consommant davantage de courant lorsque le signal est bas.

Sorties push-pull

Une sortie push-pull contenant deux transistors au lieu d'un seul (Figure 5) peut éviter les inconvénients de l'interface à collecteur ouvert mentionnés ci-dessus. Le transistor supérieur remplace la résistance d'excursion haute. Lorsqu'il est actif, il amène la tension à l'état haut jusqu'à la tension d'alimentation avec une résistance minimale, ce qui garantit une vitesse de balayage plus rapide. Étant donné que le transistor est désactivé lorsque le signal de sortie est bas, cette excursion haute active dissipe également moins de puissance que le circuit à collecteur ouvert. Cela peut se traduire par un temps d'exécution bien meilleur pour les dispositifs alimentés par batterie.

Schéma d'une sortie push-pullFigure 5 : Sortie push-pull (source de l'image : CUI Devices)

La gamme AMT de codeurs asymétriques de CUI contient des sorties push-pull et ne nécessite donc pas de résistances d'excursion haute pour créer une interface avec des circuits externes. Non seulement ces sorties push-pull améliorent la vitesse et réduisent la dissipation de puissance, mais elles simplifient également les tests et le prototypage. Les codeurs de la gamme AMT présentent aussi des sorties CMOS. Étant donné que les valeurs haute tension et basse tension varient entre les dispositifs, mieux vaut consulter la fiche technique pour savoir comment interpréter les tensions au niveau de la sortie.

Sorties à circuit d'attaque de ligne différentiel

Même si les codeurs dotés de sorties push-pull ne présentent pas les inconvénients de ceux à collecteur ouvert, tous deux ont des sorties asymétriques qui sont limitées en cas d'utilisation avec de longs câbles ou dans un environnement présentant beaucoup de bruit électrique et d'interférences.

Avec de longs câbles, l'amplitude du signal est réduite et les effets capacitifs ralentissent les transitions de commutation. Avec un signal asymétrique, où le signal transmis est renvoyé à la terre, cette dégradation peut provoquer des erreurs et ainsi entraîner des performances médiocres du système.

De plus, dans les environnements présentant beaucoup de bruit électrique, les câbles peuvent capter des tensions indésirables de différentes grandeurs. Le récepteur d'un système asymétrique risque alors de ne pas bien décoder les tensions des signaux.

Si le câble mesure plus d'un mètre, CUI recommande la signalisation différentielle. Un codeur qui contient un circuit d'attaque de ligne différentiel génère deux signaux de sortie. L'un correspond au signal original, tandis que l'autre en est l'opposé parfait ou est un signal complémentaire. La différence entre les deux est deux fois plus élevée que l'ordre de grandeur du signal asymétrique original, ce qui permet d'éviter la dégradation provoquée par une capacité et une chute de tension (Figure 6).

Schéma d'un circuit d'attaque de ligne différentiel permettant d'éviter la dégradation du signalFigure 6 : Le circuit d'attaque de ligne différentiel permet d'éviter la dégradation du signal. (Source de l'image : CUI Devices)

En outre, le bruit de mode commun présent dans les deux signaux peut être supprimé par soustraction et donc ignoré par le système de réception (Figure 7). Les interfaces de circuit d'attaque de ligne différentiel sont largement utilisées dans les applications industrielles et automobiles en raison de leurs excellentes capacités à rejeter les bruits. De nombreux modèles de codeurs de CUI sont proposés avec une option de sortie à circuit d'attaque de ligne différentiel pour une utilisation dans les applications exigeantes.

Schéma d'un récepteur différentiel ignorant le bruit présent au niveau des deux signauxFigure 7 : Le récepteur différentiel ignore le bruit présent au niveau des deux signaux. (Source de l'image : CUI Devices)

Globalement, cette petite explication des différents types de sorties des codeurs et de leurs points forts respectifs devrait aider les ingénieurs à choisir le meilleur dispositif pour leur application. Ils pourront ainsi combiner une consommation énergétique optimale et une communication fiable pour la distance de connexion applicable, et ce avec une immunité au bruit suffisante.

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À propos de l'auteur

Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices