Fondamenti dei dischi encoder
Duty cycle: perché righe e fessure di un disco encoder sono di solito 1:1
Nei disegni dei dischi encoder si legge spesso «larghezza riga e larghezza fessura 1:1». Il motivo: con un reticolo di scansione 1:1, il disco con quota trasmissiva esattamente del 50% fornisce il massimo segnale alternato. Scostandosi da 1:1 l’ampiezza del segnale cala, con squadratura a soglia fissa si sposta anche la larghezza dell’onda quadra e gli intervalli di conteggio della quadruplicazione (x4) non sono più uniformi. L’articolo spiega con esempi di calcolo l’effetto del duty cycle e i metodi di controllo.
Nei disegni dei dischi encoder compare spesso «larghezza riga : larghezza fessura = 1 : 1», oppure «duty cycle 50%». Perché non 1:2 o 2:1? E cosa succede se in produzione ci si discosta un po’, ad esempio con la fessura che occupa il 55%?
Per duty cycle si intende qui la quota della larghezza della fessura trasparente su un passo (per i dischi riflettenti, la quota dell’area riflettente). L’analisi che segue assume «reticolo di scansione 1:1, segnale approssimativamente sinusoidale».
A 1:1 il segnale alternato è massimo
Quando il disco ruota, le fessure del disco e quelle del reticolo di scansione si sovrappongono e si sfalsano alternativamente, e la luce trasmessa diventa più forte e più debole. L’informazione di posizione è contenuta nella componente alternata.
Si può dimostrare che, con un reticolo di scansione 1:1, l’ampiezza della fondamentale (componente sinusoidale) è proporzionale a sin(π × duty cycle) e la componente continua è proporzionale al duty cycle:
| Quota trasmissiva | Ampiezza alternata (1:1 = 1) | Componente continua (1:1 = 1) |
|---|---|---|
| 50% | 1 | 1 |
| 40% o 60% | circa 0,95 | 0,8 o 1,2 |
| 30% o 70% | circa 0,81 | 0,6 o 1,4 |
1:1 è dunque il massimo dell’ampiezza alternata. Uno scostamento di 10 punti percentuali riduce l’ampiezza solo del 5% circa: sembra poco, ma si somma a eccentricità, distanza di lettura, contaminazione e altri fattori, erodendo il margine di segnale.
Se si scosta: cambia la larghezza dell’onda quadra
Se il circuito di squadratura usa una soglia fissa impostata per 1:1, quando il duty cycle si scosta cambia la componente continua del segnale e con essa la larghezza del livello alto. Con approssimazione sinusoidale: con trasmissione al 40% il livello alto occupa circa il 42%, con trasmissione al 60% circa il 58% (figura 1).
La quadruplicazione conta su ogni fronte di salita e di discesa dei canali A e B; se la larghezza dell’onda quadra si sposta, gli intervalli di conteggio non sono più uniformi. Con 2500 righe, idealmente ogni conteggio vale 129,6″; con trasmissione al 40% i quattro intervalli diventano circa 129,6″, 86,3″, 129,6″ e 172,9″ (figura 2). Calcolando la velocità dagli intervalli di conteggio compare un’ondulazione periodica.
Se il circuito confronta in modo differenziale (A meno A−), la componente continua si annulla e la larghezza dell’onda quadra resta praticamente invariata; rimane però la riduzione dell’ampiezza alternata.
Da dove vengono le deviazioni di larghezza riga
Le deviazioni del duty cycle derivano per lo più da deviazioni della larghezza delle righe: un controllo inadeguato di dose di esposizione, sviluppo e incisione rende le righe dell’intero disco sistematicamente più larghe o più strette; anche l’errore di larghezza riga della maschera stessa viene trasferito.
A parità di deviazione assoluta, più piccolo è il passo, più si sposta il duty cycle. Esempio a raggio 20 mm, riga di cromo 2,5 μm più stretta del progetto:
- 2500 righe, passo circa 50,3 μm: la quota trasmissiva passa dal 50% a circa il 55%;
- 10000 righe, passo circa 12,6 μm: la quota trasmissiva diventa circa il 70%.
Come verificare il duty cycle
- Al raggio di lettura, misurare larghezza riga e passo con un sistema di misura ottica e convertirli in duty cycle. La larghezza delle righe radiali varia con il raggio: misurare sempre al raggio specificato.
- Misurare in più posizioni equidistribuite sulla circonferenza e verificare che l’intero giro sia uniforme.
- Uniformare il criterio di rilevamento del bordo. Bordi sfrangiati e residui di cromo fanno divergere valore misurato ed effetto ottico reale.
- Dopo il montaggio nell’encoder, osservare all’oscilloscopio il rapporto di tempo tra livello alto e basso del canale A e la figura di Lissajous dei segnali A e B.
In sintesi
1:1 non è un’abitudine, ma il punto di progetto che dà il massimo segnale alternato e l’onda quadra più uniforme. Se il duty cycle si scosta, l’ampiezza cala, l’onda quadra si allarga o si restringe e gli intervalli di conteggio della quadruplicazione diventano disuguali. Più fine è il passo, più conta il controllo della larghezza riga; il controllo va fatto al raggio di lettura, in più punti lungo tutto il giro.
Traduzione dell’articolo originale cinese (0018). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com
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