Sintomo: gradini o livelli intermedi sull’onda quadra — canali in cortocircuito e contesa tra driver

Un gradino sull’onda quadra è di solito dovuto a due uscite in cortocircuito o a due driver push-pull in conflitto; il livello intermedio è fissato dal partitore delle resistenze d’uscita: V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L). Questo articolo ricava la relazione tra livello del gradino e impedenza d’uscita, spiega perché il gradino compare dove commuta l’altro canale e fornisce una procedura di misura canale per canale e i criteri per escludere il disco.

All’oscilloscopio l’onda quadra del canale A dell’encoder ha un livello alto che non è una linea piatta: la prima metà è solo 2–4 V e solo la seconda metà arriva a 5 V; anche il livello basso è leggermente sollevato. Il gradino compare in ogni periodo in posizione fissa. Qualcuno sospetta un disco sporco o una testina di lettura difettosa, ma un disco non può in alcun modo produrre un livello intermedio su un’uscita digitale. Gradini di questo tipo sono quasi sempre elettrici: due uscite in cortocircuito, oppure due driver collegati allo stesso filo. Questo articolo calcola il livello del gradino dal partitore delle resistenze d’uscita, spiega perché compare proprio quando commuta l’altro canale e fornisce poi una procedura di ricerca guasti canale per canale.

Figura 1 – La resistenza di cortocircuito R_s tra le uscite push-pull A e B scende da 1 kΩ a 1 Ω: la forma d’onda di A mostra un gradino dove commuta B, tanto più profondo quanto minore è R_s, finché A e B vengono portati allo stesso livello intermedio (parametri di esempio).

Modello: partitore delle resistenze d’uscita

Uno stadio d’uscita push-pull si può rappresentare con un equivalente di Thévenin: con uscita alta è l’alimentazione V_H in serie alla resistenza di conduzione R_H del transistor superiore; con uscita bassa è la massa in serie alla resistenza di conduzione R_L del transistor inferiore. Tra i canali A e B c’è una resistenza di cortocircuito R_s (isolamento dei conduttori danneggiato, pin del connettore ponticellati, ponte di stagno).

Quando entrambi i canali sono alti o entrambi bassi, in R_s non scorre corrente e i livelli sono normali. Con A alto e B basso, la corrente scorre dal transistor superiore di A attraverso R_s nel transistor inferiore di 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)

Per R_s → 0 entrambi tendono a V_mid = V_H·R_L/(R_H + R_L).

Esempio (ipotesi): push-pull a 5 V, R_H = 30 Ω, R_L = 15 Ω. Con cortocircuito franco V_mid ≈ 1,67 V, proprio nella zona indefinita 0,8–2,0 V di un ingresso TTL, per cui il ricevitore può decidere alto o basso a caso; la corrente è circa 111 mA, quindi la maggior parte dei driver entra in limitazione di corrente e il livello è allora fissato dal limite di corrente e non dal partitore resistivo. Con R_s = 100 Ω il livello alto di A scende da 5 V a 3,97 V e il livello basso di A sale a 0,52 V; il ricevitore legge ancora correttamente, ma il margine di rumore è nettamente ridotto (Figura 2, sinistra).

Due driver push-pull collegati allo stesso filo (contesa tra driver) sono lo stesso circuito con R_s ≈ 0 e ciascun driver che commuta per conto proprio: quando uno è alto e l’altro basso, il livello di linea scende vicino a V_mid, con corrente elevata e riscaldamento.

Perché il gradino si trova dove commuta l’altro canale

A e B sono sfasati di 90° elettrici, quindi B commuta esattamente una volta in ogni semiperiodo alto di A. I primi 90° sono «A alto, B basso»: scorre corrente e il livello viene abbassato; i 90° successivi sono «A alto, B alto»: nessuna corrente, il livello si ristabilisce. Il semiperiodo basso si comporta allo stesso modo. Il confine del gradino è quindi rigorosamente simultaneo al fronte di B e la larghezza del gradino è sempre di 90° elettrici, con una durata che si accorcia proporzionalmente all’aumentare della velocità.

I tre livelli permettono anche di risalire alle resistenze. Sia V2 il livello di A con A alto e B basso e V3 il livello di A con A basso e B alto; allora

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

Nell’esempio sopra V2 = 3,97 V e V3 = 0,52 V; il rapporto è 1,03 : 3,45 : 0,52, cioè 30 : 100 : 15. Dalla sola forma d’onda si può stimare che la resistenza di cortocircuito è alcune volte la resistenza del transistor superiore.

Un collegamento differenziale RS-422 ha lo stesso problema, solo che si manifesta meno facilmente. Calcolando con terminazione da 120 Ω e i parametri dei driver sopra indicati, un cortocircuito franco tra A+ e B+ riduce l’ampiezza differenziale di A, nella metà in cui B è invertito, da circa 3,6 V a circa 1,6 V: ancora molto al di sopra della soglia di ±200 mV del ricevitore, per cui il conteggio può essere del tutto normale, ma i driver lavorano a lungo con corrente elevata e più di metà del margine di rumore è consumata.

Figura 2 – Sinistra: livello di A nei due stati in funzione della resistenza di cortocircuito; la banda ombreggiata è la zona indefinita TTL. Destra: confronto tra le impronte della forma d’onda di cortocircuito, riflessione nel cavo e diafonia (schematico).

Distinguere da riflessione e diafonia

Cortocircuito o contesa: il gradino compare dove commuta l’altro canale e dura fino alla transizione successiva; la sua larghezza è di 90° elettrici e varia con la velocità.
Riflessione nel cavo: il gradino segue subito il fronte del canale stesso e dura per il tempo di andata e ritorno nel cavo 2·t_d (circa 10 ns per metro di lunghezza del cavo, circa 200 ns per 20 m), indipendente dalla velocità, e cambia montando una terminazione adattata.
Diafonia: un picco dove commuta l’altro canale, che si smorza in pochi o qualche decina di nanosecondi, senza plateau.

Procedura di ricerca guasti

Registrare i tre livelli e la posizione del gradino: osservare A e B contemporaneamente su due canali, verificare che il confine del gradino coincida con il fronte di B e calcolare V2 e V3.
Scollegare il carico: staccare il cavo e misurare direttamente al connettore dell’encoder. Se il gradino scompare, il problema è nel cavo o nel ricevitore; se resta, cercare all’interno dell’encoder (stadio d’uscita danneggiato, ponte di stagno sulla scheda).
Provare il cavo da solo: a tensione spenta, misurare con un multimetro la resistenza tra tutti i conduttori; la resistenza di cortocircuito si legge direttamente; flettere il cavo e rimisurare per trovare schiacciamenti e abrasioni.
Provare il ricevitore da solo: collegare solo l’apparecchio ricevente, senza encoder, e verificare se qualche pin d’ingresso emette una tensione. Se sì, quella porta è configurata come uscita (ad esempio una porta di uscita impulsi divisi) oppure un altro encoder è collegato in parallelo: contesa tra driver.
Ripristinare canale per canale: collegare un canale alla volta per stabilire quali due canali sono accoppiati.

Criterio per escludere il disco: l’ottica del disco e della testina di lettura influenza solo il segnale analogico prima del comparatore e si manifesta come ciclo di lavoro, fase, ampiezza o impulsi mancanti; non può creare su un’uscita digitale un livello intermedio sincrono con un altro canale. Finché il confine del gradino è rigorosamente simultaneo al fronte dell’altro canale e il livello del gradino non varia con velocità, intensità luminosa o distanza di lettura, non serve indagare oltre sul disco.

Punti chiave

Stimare un livello intermedio sull’onda quadra anzitutto con V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L); un cortocircuito franco con 5 V e 30 Ω/15 Ω dà circa 1,67 V, nella zona indefinita TTL.
Un confine del gradino simultaneo al fronte dell’altro canale e una larghezza di 90° elettrici sono l’impronta di un cortocircuito o di una contesa tra driver.
(V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L permette di stimare la resistenza di cortocircuito direttamente dalla forma d’onda.
Un gradino di riflessione segue il fronte del canale stesso con larghezza fissa 2·t_d; la diafonia è un picco, non un plateau: i tre casi si distinguono a colpo d’occhio.
Con un collegamento differenziale un cortocircuito franco può non far perdere conteggi, ma i driver lavorano ad alta corrente; va eliminato, non tollerato.
I tre passi scollegare il carico, provare il cavo da solo e provare il ricevitore da solo localizzano il problema nell’encoder, nel cavo o nell’apparecchio ricevente.

Conclusioni

Un gradino o un livello intermedio sull’onda quadra è in sostanza dovuto a due uscite in conflitto attraverso una resistenza di cortocircuito o un collegamento diretto in parallelo; il livello è fissato dal partitore delle resistenze d’uscita e il gradino cade esattamente dove commuta l’altro canale, largo 90° elettrici. Risalire alla resistenza di cortocircuito dai tre livelli, distinguere cortocircuito, riflessione e diafonia dalla posizione del gradino, poi scollegare il carico e misurare canale per canale: il guasto si localizza rapidamente, senza perdere tempo sul disco.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0238). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com