Symptom: Časté chyby v nejnižším bitu Grayova kódu, vyšší bity v pořádku — kontrast jemných kódových stop

Nejnižší bit Grayova kódu má nejužší kódové prvky a při snímání na zobrazovacím principu jeho kontrast klesá se snímací vzdáleností nejrychleji: podle kritéria p²/λ se citlivost kódových prvků 20 μm a 640 μm liší asi tisícinásobně. Tento článek simuluje kontrast v závislosti na mezeře pro každou bitovou stopu a rezervu LSB, vysvětluje, jak drift prahu zesiluje bitové chyby, a uvádí postup měření amplitudy bit po bitu a kontroly mezery.

Absolutní enkodér s Grayovým kódem hlásí v provozu občas skoky polohy nebo chyby kontroly a chybná hodnota kódu je vždy špatně v nejnižším bitu, nikdy ve vyšších bitech. Výměna kódového kotouče někdy pomůže; výměna snímací hlavy to někdy zhorší. Výhodou Grayova kódu je, že chybně přečtený LSB se odchýlí jen o jednu polohu (viz článek této knihovny srovnávající Grayův kód a pseudonáhodný kód), takže nezpůsobí velké skoky, projeví se však jako chvění, neúspěšné kontroly nebo nesoulad s inkrementální stopou. Proč selže vždy první LSB? Protože jeho kódové prvky jsou nejužší a citlivost kontrastu na mezeru při snímání na zobrazovacím principu roste se čtvercem šířky kódového prvku.

Proč je LSB nejcitlivější

LSB zrcadlového binárního Grayova kódu se mění každé 2 polohy, jeho stopa je tedy obdélníkový signál s periodou 4 poloh a šířkou kódového prvku 2 polohy; každý vyšší bit šířku kódového prvku zdvojnásobí. Při kódovém prvku LSB w0 = 20 μm je šest šířek kódových prvků 20, 40, 80, 160, 320 a 640 μm, což odpovídá periodám P = 2w od 40 do 1280 μm.

Při snímání na zobrazovacím principu dopadá stín stopy přes mezeru g na detektor a uplatňují se dva druhy rozmazání:

• Difrakce: charakteristické měřítko P²/λ. Při λ = 0,88 μm je to asi 1,8 mm pro LSB a asi 1,9 m pro nejvyšší bit, poměr (1280/40)² = 1024 — „asi tisícinásobně“. Modulace základní harmonické klesá jako cos(πλg/P²) (odvození v článku této knihovny o Talbotově jevu) a u LSB zaniká při g = P²/(2λ) ≈ 0,9 mm.
• Polostín: úhlová šířka osvětlení Δα rozmaže hranu stínu o g·Δα a základní harmonická klesá jako sinc(g·Δα/P). Při Δα = 40 mrad a g = 0,5 mm je rozmazání 20 μm, tedy už rovné šířce kódového prvku LSB; jde o závislost na první mocnině šířky kódového prvku, takže LSB a MSB se liší faktorem 32.

Oba mechanismy způsobí, že kontrast ztratí nejdříve LSB, zatímco stopy vyšších bitů při stejné mezeře stále vrhají téměř ostré obdélníkové stíny.

Číselný příklad: kontrast jednotlivých bitových stop

Podmínky simulace (předpoklad): téměř rovnoběžné osvětlení, λ = 0,88 μm, spektrální šířka 40 nm, úhlová šířka 40 mrad; střída 50 % na každé stopě; detekční okno polovina šířky kódového prvku, uprostřed prvku; intenzita bez obrazce normována na 1. Po průměrování přes vlnovou délku a úhel dopadu jsou intenzita ve středu „světlého prvku“ a „tmavého prvku“ a kontrast C = (I_světlý − I_tmavý)/(I_světlý + I_tmavý) tyto:

Při malých mezerách přesahuje intenzita ve středu světlého prvku hodnotu 1, protože Fresnelova difrakce na úzké štěrbině soustřeďuje světlo do středu; dekódování to neovlivní. Při prahu 0,5 a požadované rezervě 0,15 na světlé i tmavé straně je největší přípustná mezera pro LSB asi 0,52 mm; bit 1 a vyšší splňují požadavek v celém simulovaném rozsahu 1 mm (obrázek 2 vpravo).

Jak drift prahu zesiluje bitové chyby

Rozhodovací rezerva = min(I_světlý − T, T − I_tmavý), kde T je práh. Světlá a tmavá úroveň LSB jsou už natlačeny kolem prahu, takže jakýkoli drift spotřebuje nejdříve jeho rezervu:

• Drift intenzity při pevném prahu: světelný výkon LED klesne vlivem teploty a stárnutí o 20 %, zatímco práh zůstane na počáteční hodnotě 0,5. Světlá úroveň vyšších bitů klesne asi z 1,0 na 0,8, stále s dostatečnou rezervou; u LSB při g = 500 μm klesne světlá úroveň z 0,72 na 0,58 a rezerva z 0,22 na 0,08, při 600 μm spadne rovnou pod práh. Přípustná mezera se zmenší asi z 0,52 mm na asi 0,40 mm.
• Offset prahu: při offsetu komparátoru nebo posunu referenční úrovně ΔT se hrana LSB posune o ΔT dělené strmostí signálu. LSB má nízký kontrast a malou strmost, takže stejné ΔT posune jeho hrany nejvíce a přidá na kódových přechodech oblasti, kde je hodnota přečtena chybně o 1.
• Šum: oblast u hrany, kde šum způsobuje přepínání sem a tam, má šířku zhruba šum dělený strmostí; u LSB je nejširší a projeví se jako blikání LSB v klidu v určitých polohách.

Práh proto musí sledovat intenzitu: s poměrovým prahem odvozeným od referenční fotodiody nebo doplňkové stopy lze vliv driftu intenzity v podstatě vyrušit.

Postup hledání závady

1. Měřte amplitudu bit po bitu: jsou-li k dispozici měřicí body nebo diagnostické výstupy, pomalu otáčejte, zaznamenejte světlou a tmavou úroveň každého bitu a vypočtěte kontrast a rezervu vůči prahu. Je-li výrazně nízký jen LSB, jde o problém kontrastu; klesají-li všechny bity ve stejném poměru, zkontrolujte nejprve zdroj světla a znečištění.
2. Zkontrolujte mezeru: změřte skutečnou snímací vzdálenost, přičtěte axiální házení a rovinnost kotouče na poloměru snímání, získejte největší mezeru a porovnejte ji s přípustnou hodnotou. Zmenšete mezeru podložkami o 0,1–0,2 mm a měřte znovu; obnoví-li se kontrast LSB podle předpovědi, je příčina potvrzena.
3. Sledujte chyby v závislosti na úhlu: chyby soustředěné v určitém úhlovém rozsahu porovnejte s úhlovou polohou největší mezery od axiálního házení; rovnoměrné rozložení znamená zabývat se celkovou mezerou a prahem.
4. Zkontrolujte osvětlení a práh: ověřte typ LED, velikost vyzařovací plochy a polohu kolimační čočky — větší úhlová šířka osvětlení odpovídá větší mezeře; ověřte, že práh se mění úměrně intenzitě.
5. Zkontrolujte samotnou stopu: odchylka šířky čar kódových prvků LSB způsobí nesymetrii světlých a tmavých prvků, takže rezerva jedné strany se vyčerpá dříve; nečistoty a vady na této stopě se rovněž projeví jako první.

Zásady pro praxi

• Citlivost každého bitu Grayova kódu na mezeru roste se čtvercem (difrakce) nebo první mocninou (polostín) šířky kódového prvku; horní mez mezery určuje LSB.
• Při návrhu ověřte největší mezeru podle LSB, včetně axiálního házení, rovinnosti a montážních chyb; za příkladových podmínek asi 0,5 mm nebo méně.
• Práh musí úměrně sledovat intenzitu; jinak může pokles intenzity o 20 % zmenšit přípustnou mezeru LSB asi o čtvrtinu.
• Úhlová šířka osvětlení je ekvivalentní mezeře: horší kolimace nebo LED s větší vyzařovací plochou postihne nejprve LSB.
• Měření světlé a tmavé úrovně bit po bitu je nejrychlejší diagnóza; chybí-li rezerva jen u LSB, zkontrolujte nejprve mezeru a osvětlení — není třeba hned měnit kotouč.
• V layoutu umístěte LSB na vnější prstenec: šířka kódového prvku roste s poloměrem a citlivost na difrakci klesá s jejím čtvercem; axiální házení je na vnějším prstenci o něco větší, započtěte je.

Shrnutí

Časté bitové chyby v LSB Grayova kódu vznikají proto, že jeho kódové prvky jsou nejužší a kontrast jeho stínu klesá s mezerou nejrychleji: difrakční měřítko P²/λ se od MSB liší asi tisícinásobně a vliv polostínu je rovněž desítkykrát větší. Za příkladových podmínek je přípustná mezera LSB asi 0,52 mm a dále se zmenšuje, když intenzita driftuje a práh ji nesleduje. Měření úrovní bit po bitu, kontrola mezery a poměrový práh problém lokalizují a odstraní.

Překlad čínského originálu (0239). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com

© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Článek vznikl s pomocí AI.