Symptom: Stufen oder Zwischenpegel im Rechtecksignal – Kurzschluss zwischen Kanälen und Treiberkonflikt

Eine Stufe im Rechtecksignal bedeutet meist zwei kurzgeschlossene Ausgänge oder zwei Gegentakttreiber, die gegeneinander arbeiten; der Zwischenpegel ergibt sich aus dem Spannungsteiler der Ausgangswiderstände: V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L). Dieser Artikel leitet den Zusammenhang zwischen Stufenpegel und Ausgangsimpedanz her, erklärt, warum die Stufe beim Umschalten des anderen Kanals liegt, und gibt ein kanalweises Messvorgehen sowie Kriterien zum Ausschluss der Teilscheibe an.

Auf dem Oszilloskop ist der High-Pegel des Rechtecksignals von Spur A eines Drehgebers keine gerade Linie: Die erste Hälfte liegt nur bei 2–4 V, erst die zweite erreicht 5 V; auch der Low-Pegel ist ein Stück angehoben. Die Stufe tritt in jeder Periode an fester Stelle auf. Mancher vermutet eine verschmutzte Teilscheibe oder einen defekten Abtastkopf, doch eine Teilscheibe kann an einem digitalen Ausgang keinen Zwischenpegel erzeugen. Solche Stufen sind fast immer elektrisch: zwei Ausgänge kurzgeschlossen oder zwei Treiber an derselben Leitung. Dieser Artikel berechnet den Stufenpegel aus dem Teiler der Ausgangswiderstände, erklärt, warum er genau beim Umschalten des anderen Kanals auftritt, und gibt dann ein kanalweises Vorgehen bei der Fehlersuche an.

Abb. 1 – Der Kurzschlusswiderstand R_s zwischen den Gegentaktausgängen A und B sinkt von 1 kΩ auf 1 Ω: Das Signal A zeigt beim Umschalten von B eine Stufe, je kleiner R_s, desto tiefer die Stufe, bis A und B schließlich auf denselben Zwischenpegel gezogen werden (Beispielparameter).

Modell: Teiler der Ausgangswiderstände

Eine Gegentakt-Ausgangsstufe lässt sich durch ein Thévenin-Ersatzschaltbild darstellen: Im High-Zustand entspricht sie der Versorgung V_H in Reihe mit dem Durchlasswiderstand R_H des oberen Transistors, im Low-Zustand Masse in Reihe mit dem Durchlasswiderstand R_L des unteren Transistors. Zwischen den Kanälen A und B liegt ein Kurzschlusswiderstand R_s (beschädigte Aderisolation, überbrückte Steckerstifte, Lötbrücke).

Sind beide Kanäle High oder beide Low, fließt kein Strom durch R_s, die Pegel sind normal. Bei A High und B Low fließt Strom vom oberen Transistor von A über R_s in den unteren Transistor von 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)

Für R_s → 0 streben beide gegen V_mid = V_H·R_L/(R_H + R_L).

Rechenbeispiel (angenommen): 5-V-Gegentakt, R_H = 30 Ω, R_L = 15 Ω. Bei hartem Kurzschluss ist V_mid ≈ 1,67 V, genau im undefinierten Bereich 0,8–2,0 V eines TTL-Eingangs; der Empfänger kann zufällig High oder Low erkennen. Der Strom beträgt etwa 111 mA, die meisten Treiber gehen in die Strombegrenzung, und der Pegel wird dann von der Strombegrenzung bestimmt, nicht mehr vom Widerstandsteiler. Bei R_s = 100 Ω fällt der High-Pegel von A von 5 V auf 3,97 V, der Low-Pegel von A steigt auf 0,52 V; der Empfänger erkennt noch richtig, aber der Störabstand ist deutlich verringert (Abb. 2 links).

Zwei Gegentakttreiber an derselben Leitung (Treiberkonflikt) sind dieselbe Schaltung mit R_s ≈ 0, wobei jeder Treiber für sich umschaltet: Ist einer High und der andere Low, liegt der Leitungspegel nahe V_mid, begleitet von hohem Strom und Erwärmung.

Warum die Stufe beim Umschalten des anderen Kanals liegt

A und B sind um 90° elektrisch versetzt, innerhalb jeder High-Halbperiode von A schaltet B genau einmal um. Die ersten 90° sind „A High, B Low“: Es fließt Strom, der Pegel wird heruntergezogen; die folgenden 90° sind „A High, B High“: kein Strom, der Pegel erholt sich. Für die Low-Halbperiode gilt dasselbe. Die Stufengrenze fällt daher exakt mit der Flanke von B zusammen, die Stufenbreite beträgt stets 90° elektrisch, ihre Dauer verkürzt sich proportional mit steigender Drehzahl.

Aus den drei Pegeln lassen sich auch die Widerstände zurückrechnen. Sei V2 der Pegel von A bei A High/B Low und V3 der Pegel von A bei A Low/B High, dann gilt

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

Im obigen Beispiel V2 = 3,97 V, V3 = 0,52 V; das Verhältnis 1,03 : 3,45 : 0,52 entspricht 30 : 100 : 15. Allein aus dem Signalverlauf lässt sich abschätzen, dass der Kurzschlusswiderstand ein Mehrfaches des Widerstands des oberen Transistors beträgt.

Eine differenzielle RS-422-Verbindung hat dasselbe Problem, es zeigt sich nur weniger leicht. Mit 120-Ω-Abschluss und den obigen Treiberparametern gerechnet, sinkt bei hartem Kurzschluss von A+ und B+ die Differenzamplitude von A in der Hälfte, in der B gegenphasig ist, von etwa 3,6 V auf etwa 1,6 V – immer noch weit über der Empfängerschwelle von ±200 mV, das Zählen kann völlig normal sein, aber die Treiber arbeiten dauerhaft mit hohem Strom, und mehr als die Hälfte des Störabstands ist aufgezehrt.

Abb. 2 – Links: Pegel von A in beiden Zuständen über dem Kurzschlusswiderstand; das Farbband ist der undefinierte TTL-Bereich. Rechts: Vergleich der Signal-Fingerabdrücke von Kurzschluss, Kabelreflexion und Übersprechen (schematisch).

Abgrenzung gegen Reflexion und Übersprechen

Kurzschluss oder Konflikt: Die Stufe liegt beim Umschalten des anderen Kanals und dauert bis zum nächsten Umschalten, ihre Breite beträgt 90° elektrisch und ändert sich mit der Drehzahl.
Kabelreflexion: Die Stufe folgt unmittelbar auf die eigene Flanke des Kanals und dauert eine Kabellaufzeit hin und zurück 2·t_d (etwa 10 ns je Meter Kabellänge, bei 20 m etwa 200 ns), unabhängig von der Drehzahl, und ändert sich mit angepasstem Abschluss.
Übersprechen: Nadel beim Umschalten des anderen Kanals, abklingend innerhalb einiger bis einiger zehn Nanosekunden, ohne Plateau.

Vorgehen bei der Fehlersuche

Drei Pegel und Stufenlage notieren: A und B gleichzeitig auf zwei Kanälen betrachten, bestätigen, dass die Stufengrenze mit der Flanke von B zusammenfällt, und V2, V3 bestimmen.
Last abtrennen: Kabel abziehen und direkt an der Drehgeberbuchse messen. Verschwindet die Stufe, liegt das Problem in Kabel oder Empfänger; bleibt sie, im Drehgeber suchen (beschädigte Ausgangsstufe, Lötbrücke auf der Platine).
Kabel allein prüfen: Spannungslos mit dem Multimeter den Widerstand zwischen allen Adern messen, der Kurzschlusswiderstand lässt sich direkt ablesen; Kabel biegen und erneut messen, um Quetschungen und Abrieb zu finden.
Empfänger allein prüfen: Nur das Empfangsgerät anschließen, ohne Drehgeber, und prüfen, ob an einem Eingangsstift eine Spannung ausgegeben wird. Ist das der Fall, ist dieser Anschluss als Ausgang konfiguriert (z. B. ein Ausgang für geteilte Impulse) oder ein zweiter Drehgeber ist parallel angeschlossen – Treiberkonflikt.
Kanalweise wieder anschließen: Jeweils nur einen Kanal anschließen, um festzustellen, zwischen welchen zwei Kanälen eine Kopplung besteht.

Kriterium zum Ausschluss der Teilscheibe: Teilscheibe und Abtastoptik beeinflussen nur das Analogsignal vor dem Komparator und zeigen sich als Tastverhältnis, Phase, Amplitude oder fehlende Impulse; sie können an einem digitalen Ausgang keinen mit einem anderen Kanal synchronen Zwischenpegel erzeugen. Solange die Stufengrenze exakt mit der Flanke des anderen Kanals zusammenfällt und der Stufenpegel sich weder mit Drehzahl noch Lichtstärke noch Abstand ändert, muss die Teilscheibe nicht weiter untersucht werden.

Praxishinweise

Einen Zwischenpegel im Rechtecksignal zuerst mit V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L) abschätzen; ein harter Kurzschluss bei 5 V und 30 Ω/15 Ω ergibt etwa 1,67 V, im undefinierten TTL-Bereich.
Eine Stufengrenze gleichzeitig mit der Flanke des anderen Kanals und eine Breite von 90° elektrisch sind der Fingerabdruck von Kurzschluss oder Treiberkonflikt.
Mit (V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L lässt sich der Kurzschlusswiderstand direkt aus dem Signalverlauf abschätzen.
Eine Reflexionsstufe folgt der eigenen Flanke mit fester Breite 2·t_d; Übersprechen ist eine Nadel, kein Plateau – die drei sind auf einen Blick zu unterscheiden.
Bei differenzieller Verbindung verliert ein harter Kurzschluss möglicherweise keine Zählimpulse, doch die Treiber arbeiten mit hohem Strom; er muss behoben, nicht hingenommen werden.
Die drei Schritte Last abtrennen, Kabel allein prüfen und Empfänger allein prüfen ordnen das Problem dem Drehgeber, dem Kabel oder dem Empfangsgerät zu.

Fazit

Eine Stufe oder ein Zwischenpegel im Rechtecksignal bedeutet im Kern, dass zwei Ausgänge über einen Kurzschlusswiderstand oder eine direkte Parallelschaltung gegeneinander arbeiten; der Pegel ergibt sich aus dem Teiler der Ausgangswiderstände, die Stufe liegt genau beim Umschalten des anderen Kanals und ist 90° elektrisch breit. Den Kurzschlusswiderstand aus den drei Pegeln zurückrechnen, Kurzschluss, Reflexion und Übersprechen anhand der Stufenlage unterscheiden, dann die Last abtrennen und kanalweise messen – so wird der Fehler schnell gefunden, ohne Zeit an der Teilscheibe zu verlieren.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0238). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com