Symptom: Schody nebo mezilehlé úrovně na obdélníkovém signálu — zkratované kanály a souboj budičů

Schod na obdélníkovém signálu obvykle znamená dva vzájemně zkratované výstupy nebo dva push-pull budiče, které proti sobě bojují; mezilehlá úroveň je dána děličem výstupních odporů: V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L). Tento článek odvozuje vztah mezi úrovní schodu a výstupní impedancí, vysvětluje, proč se schod objevuje v místě přepnutí druhého kanálu, a uvádí postup měření kanál po kanálu a kritéria pro vyloučení kotouče.

Na osciloskopu nemá obdélníkový signál kanálu A enkodéru vysokou úroveň jako rovnou čáru: první polovina má jen 2–4 V a teprve druhá polovina dosáhne 5 V; i nízká úroveň je trochu zvednutá. Schod se objevuje v každé periodě ve stálé poloze. Někdo podezírá znečištěný kódový kotouč nebo vadnou snímací hlavu, ale kotouč nemůže na digitálním výstupu vytvořit mezilehlou úroveň. Takové schody jsou téměř vždy elektrické: dva vzájemně zkratované výstupy nebo dva budiče připojené na tentýž vodič. Tento článek vypočítá úroveň schodu z děliče výstupních odporů, vysvětlí, proč se objevuje právě při přepnutí druhého kanálu, a poté uvede postup hledání závady kanál po kanálu.

Obrázek 1 – Zkratový odpor R_s mezi push-pull výstupy A a B klesá z 1 kΩ na 1 Ω: průběh A ukazuje schod v místě přepnutí B, čím menší R_s, tím hlubší schod, až jsou nakonec A i B staženy na stejnou mezilehlou úroveň (příkladové parametry).

Model: dělič výstupních odporů

Výstupní stupeň push-pull lze nahradit Théveninovým ekvivalentem: při vysokém výstupu je to napájení V_H v sérii s odporem sepnutého horního tranzistoru R_H; při nízkém zem v sérii s odporem sepnutého dolního tranzistoru R_L. Mezi kanály A a B je zkratový odpor R_s (poškozená izolace vodičů, propojené piny konektoru, cínový můstek).

Jsou-li oba kanály vysoko nebo oba nízko, odporem R_s neteče proud a úrovně jsou normální. Je-li A vysoko a B nízko, teče proud z horního tranzistoru A přes R_s do dolního tranzistoru B:

V_A = V_H·(R_s + R_L)/(R_H + R_s + R_L), V_B = V_H·R_L/(R_H + R_s + R_L)

Pro R_s → 0 se obě blíží V_mid = V_H·R_L/(R_H + R_L).

Příklad (předpoklad): push-pull 5 V, R_H = 30 Ω, R_L = 15 Ω. Při tvrdém zkratu je V_mid ≈ 1,67 V, přímo v neurčité oblasti 0,8–2,0 V vstupu TTL, takže přijímač může náhodně rozhodnout vysoko nebo nízko; proud je asi 111 mA, takže většina budičů přejde do proudového omezení a úroveň je pak dána proudovým omezením, nikoli odporovým děličem. Při R_s = 100 Ω klesne vysoká úroveň A z 5 V na 3,97 V a nízká úroveň A stoupne na 0,52 V; přijímač stále čte správně, ale šumová rezerva se výrazně zmenší (obrázek 2 vlevo).

Dva push-pull budiče připojené na tentýž vodič (souboj budičů) jsou tentýž obvod s R_s ≈ 0, kde každý budič přepíná sám za sebe: je-li jeden vysoko a druhý nízko, klesne úroveň vedení k V_mid, provázená velkým proudem a zahříváním.

Proč je schod v místě přepnutí druhého kanálu

A a B jsou od sebe posunuty o 90° elektrického úhlu, takže B přepne v každé vysoké půlperiodě A právě jednou. Prvních 90° je „A vysoko, B nízko“: teče proud a úroveň se stáhne dolů; dalších 90° je „A vysoko, B vysoko“: proud neteče, úroveň se obnoví. Nízká půlperioda se chová stejně. Hranice schodu je proto přísně současná s hranou B a šířka schodu je vždy 90° elektrického úhlu, přičemž jeho doba trvání se s rostoucí rychlostí úměrně zkracuje.

Ze tří úrovní lze také zpětně vypočítat odpory. Nechť V2 je úroveň A při A vysoko a B nízko a V3 úroveň A při A nízko a B vysoko; pak

(V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L

V uvedeném příkladu je V2 = 3,97 V a V3 = 0,52 V; poměr je 1,03 : 3,45 : 0,52, tj. 30 : 100 : 15. Jen z průběhu lze odhadnout, že zkratový odpor je několikanásobkem odporu horního tranzistoru.

Diferenciální spojení RS-422 má tentýž problém, jen se méně projevuje. Při výpočtu s terminací 120 Ω a výše uvedenými parametry budičů sníží tvrdý zkrat mezi A+ a B+ diferenciální amplitudu A v polovině, kdy je B invertován, z asi 3,6 V na asi 1,6 V — stále vysoko nad prahem přijímače ±200 mV, takže čítání může být zcela normální, budiče však dlouhodobě pracují s velkým proudem a více než polovina šumové rezervy je spotřebována.

Obrázek 2 – Vlevo: úroveň A ve dvou stavech v závislosti na zkratovém odporu; šrafované pásmo je neurčitá oblast TTL. Vpravo: srovnání otisků průběhu při zkratu, odrazu na kabelu a přeslechu (schematicky).

Odlišení od odrazu a přeslechu

Zkrat nebo souboj: schod začíná v místě přepnutí druhého kanálu a trvá do dalšího přechodu; jeho šířka je 90° elektrického úhlu a mění se s rychlostí.
Odraz na kabelu: schod následuje bezprostředně po vlastní hraně kanálu a trvá po dobu oběhu signálu kabelem 2·t_d (asi 10 ns na metr délky kabelu, asi 200 ns pro 20 m), nezávisle na rychlosti, a změní se po osazení přizpůsobené terminace.
Přeslech: špička v místě přepnutí druhého kanálu, odeznívající během několika až několika desítek nanosekund, bez plató.

Postup hledání závady

Zaznamenejte tři úrovně a polohu schodu: sledujte A a B současně na dvou kanálech, ověřte, že hranice schodu se kryje s hranou B, a vypočtěte V2 a V3.
Odpojte zátěž: odpojte kabel a měřte přímo na konektoru enkodéru. Zmizí-li schod, je problém v kabelu nebo přijímači; zůstane-li, hledejte uvnitř enkodéru (poškozený výstupní stupeň, cínový můstek na desce).
Zkoušejte samotný kabel: při vypnutém napájení změřte multimetrem odpor mezi všemi vodiči — zkratový odpor lze odečíst přímo; ohýbejte kabel a měřte znovu, abyste našli přimáčknutí a odření.
Zkoušejte samotný přijímač: připojte jen přijímací zařízení bez enkodéru a zkontrolujte, zda některý vstupní pin nevydává napětí. Pokud ano, je tento port konfigurován jako výstup (např. port výstupu dělených impulsů), nebo je paralelně připojen jiný enkodér — souboj budičů.
Obnovujte kanál po kanálu: připojujte vždy jeden kanál, abyste zjistili, které dva kanály jsou propojeny.

Kritérium pro vyloučení kotouče: optika kotouče a snímací hlavy ovlivňuje jen analogový signál před komparátorem a projevuje se jako střída, fáze, amplituda nebo chybějící impulsy; nemůže na digitálním výstupu vytvořit mezilehlou úroveň synchronní s jiným kanálem. Dokud je hranice schodu přísně současná s hranou druhého kanálu a úroveň schodu se nemění s rychlostí, intenzitou světla ani mezerou, není třeba se kotoučem dále zabývat.

Zásady pro praxi

Mezilehlou úroveň na obdélníkovém signálu odhadněte nejprve podle V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L); tvrdý zkrat při 5 V a 30 Ω/15 Ω dává asi 1,67 V, v neurčité oblasti TTL.
Hranice schodu současná s hranou druhého kanálu a šířka 90° elektrického úhlu jsou otiskem zkratu nebo souboje budičů.
(V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L umožňuje odhadnout zkratový odpor přímo z průběhu.
Schod od odrazu následuje vlastní hranu kanálu s pevnou šířkou 2·t_d; přeslech je špička, ne plató — všechny tři lze rozlišit na první pohled.
U diferenciálního spojení nemusí tvrdý zkrat způsobit ztrátu inkrementů, budiče však pracují s velkým proudem; je nutné jej odstranit, ne tolerovat.
Tři kroky odpojení zátěže, zkoušky samotného kabelu a zkoušky samotného přijímače lokalizují problém do enkodéru, kabelu nebo přijímacího zařízení.

Shrnutí

Schod nebo mezilehlá úroveň na obdélníkovém signálu je v podstatě souboj dvou výstupů přes zkratový odpor nebo přímé paralelní spojení; úroveň je dána děličem výstupních odporů a schod padá přesně do místa přepnutí druhého kanálu, široký 90° elektrického úhlu. Ze tří úrovní zpětně vypočtěte zkratový odpor, podle polohy schodu rozlište zkrat, odraz a přeslech, pak odpojte zátěž a měřte kanál po kanálu — závada se najde rychle, bez ztráty času u kotouče.

Překlad čínského originálu (0238). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com