信号トラブル事例集
症状：高速時にZがA/Bに対して位置ずれする――チャネル遅延の不一致
ZとA/Bの経路遅延が等しくないと、ZはA/Bに対して電気角360°·f·Δtだけずれ、500 kHz・100 nsでは18°に達します。本稿では、遅延がゲーティングの前にあるか後にあるかによるZ幅と位置への影響の違いと許容値を導き、二つの回転速度・二つの回転方向でZ中心を測って静的偏差・ヒステリシス・遅延を分離する方法を示します。
低速の原点復帰では原点位置が非常に安定しているのに、原点復帰速度を上げると原点が一カウントあるいは数カウントずれ始めます。オシロスコープで見ると、回転速度が高いほどZはA・Bのエッジに対して後ろへずれていき、ある速度でZが突然細くなり、さらには消えてしまいます。Z幅が回転速度とともに変わる現象は本シリーズの別の記事で扱いました。そこでの原因はZ自身の二つのエッジの遅延の不一致でした。本稿で扱うのは、Z全体のA・Bに対する遅延差です。二つのエッジが一緒に後ろへずれ、幅は変わらず、位置がドリフトします。これがゲーティング後のZがどこまでの回転速度で持ちこたえるか、また原点復帰位置が速度に依存するかどうかを決めます。
モデル：時間差を電気角に換算する
ZチャネルがA・Bチャネルより余分にΔt遅延し、A/Bの出力周波数をfとすると、ZのA/Bに対する電気角のずれは
δ = 360°·f·Δt
f = N·n/60 で、Nは一回転あたりの周期数（内挿出力の場合は内挿後の方形波周期で数える）、nは回転速度（r/min）です。2500ライン、12000 r/min のとき f = 500 kHz で、Δt = 100 ns は δ = 18° に相当します。
| Δt | 100 kHz | 250 kHz | 500 kHz | 1 MHz |
|---|---|---|---|---|
| 20 ns | 0.7° | 1.8° | 3.6° | 7.2° |
| 100 ns | 3.6° | 9° | 18° | 36° |
| 1 μs | 36° | 90° | 180° | 360° |
δは回転速度に比例し、これが遅延問題の最も直接的な指紋です。静的な位置合わせ誤差やコンパレータのヒステリシスは回転速度によって変わりません。
遅延はゲーティングの前か後か
ゲーティングの前（生のZのフィルタ、コンパレータ）：ゲーティング後のZは、生のZとA = B = 1の象限とのANDで得られます。生のZの幅をW_r、その中心の象限中心に対する静的偏差をδ0とすると、ゲーティング余裕は
m = (W_r − 90°)/2 − |δ0|
δ ≤ m ではゲーティング後のZは完全な90°のままで、位置はA・Bのエッジに固定され、遅延は「吸収」されます。δ > m になるとゲーティング後のZ幅は 90° − (δ − m) となり、δ ≥ m + 90° で消えます。W_r = 180°、δ0 = 0、Δt = 100 ns のとき、余裕は1.25 MHzで使い切られ、3.75 MHzでZが消えます（図1参照）。
ゲーティングの後（出力段、ケーブル、受信側）：ゲーティング後のZのエッジはもともとAまたはBのエッジと一致しているため、その後の遅延差はすべて受信側で両者をずらします。受信側がA・Bの状態でZを限定する場合、有効な重なりは 90° − |δ| しか残りません。Zのエッジでカウントをラッチする場合、δがカウント境界を越えるとラッチ値が一カウント変わり、原点復帰位置が原点復帰速度に依存するようになります（エッジ競合の詳細は本シリーズの正逆転と原点の記事を参照）。
遅延はどこから来るか
| 段 | メカニズム | 大きさ（例） |
|---|---|---|
| アナログフィルタ | ZチャネルのRCがA/Bと異なり、緩やかに変化する信号の遅延は約RC | 1 kΩ × 100 pF ≈ 100 ns |
| コンパレータ | 原点信号の振幅が小さく、オーバードライブ不足で遅延が長くなる | 数十ナノ秒程度 |
| 内挿回路 | A/Bはパイプライン付きの内挿回路で生成、Zは別のコンパレータを通る | 実装次第、符号は上の二項と逆 |
| 出力とケーブル | ドライバのチャネル間スキュー、ペア線の長さの差（約5 ns/m） | 数～十数ナノ秒 |
| 受信側 | チャネルごとのフォトカプラ、デジタルフィルタ設定の違い | 一般的なフォトカプラではマイクロ秒級に達する |
許容値は余裕と最高周波数で決まります。
Δt_max = m / (360°·f_max)
m = 30° のとき、500 kHzでは約167 nsまで許容されますが、内挿後の2.5 MHzではわずか約33 nsです（図2右参照）。したがって内挿出力のエンコーダでは、ZはA・Bと同じデジタル経路で同期して生成すべきで、別のアナログコンパレータを通すべきではありません。
測定：二つの回転速度、二つの方向
- 低速の基準：fを最高周波数の百分の一以下とし、オシロスコープでZの二つのエッジの中点のAの立上りエッジに対する電気角を測り、象限中心に対する偏差φに換算します。生の原点信号のテストポイントがあれば、生のZも同時に測ります。
- 増速して再測定：最高回転速度近くまで3～4の周波数をとり、正転・逆転でそれぞれ一回ずつ測ります。逆転時は同じ角度座標で換算します。つまり時間上の遅れは角度上の逆向きのずれに対応します。
- フィッティングで分離：正転 φ_F = φ_s + h + 360°·f·Δt、逆転 φ_R = φ_s − h − 360°·f·Δt。両方向の平均が静的偏差φ_s、両方向の差の f → 0 での切片が2hで、hはコンパレータのヒステリシスに由来し、傾きがΔtを与えます。
- 区間ごとの特定：生のZのテストポイント、エンコーダのケーブル端、受信側でそれぞれ測り、どの区間の後で傾きが現れる、または大きくなるかで、遅延差のある区間がわかります。
- 判定基準：|φ_s| + |h| + 360°·f_max·Δt がゲーティング余裕を超えず、温度ドリフトと部品ばらつきの裕度を残すこと。
システム側で簡単な確認もできます。低速と高速でそれぞれ原点復帰し、二回のラッチ位置を比べます。一カウントあるいは数カウント異なり、低速での繰り返し原点復帰が非常に安定していれば、ほぼチャネル遅延の問題と判断できます。
設計・製造のポイント
- δ = 360°·f·Δt：500 kHzでは100 nsで18°になり、MHz級まで内挿すると数十ナノ秒も無視できない。
- ゲーティングが吸収できるのはゲーティング前の遅延だけで、吸収量は (W_r − 90°)/2 − |δ0|。ゲーティング後の遅延差はそのまま位置ずれになる。
- ZとA・Bのアナログフィルタ、コンパレータ、出力ドライバは対称に設計し、必要ならZチャネルに調整可能な遅延を設ける。
- 内挿出力では内挿回路でZを同期生成させ、A/Bだけがパイプライン遅延を持ちZが持たない状態を避ける。
- 受信側の各チャネルのフォトカプラとフィルタ設定はそろえる。一般的なフォトカプラの遅延ばらつきはマイクロ秒級に達する。
- 二つの回転速度・二つの方向でZ中心を測れば、静的偏差、ヒステリシス、遅延の三項を一度に分離できる。
まとめ
高速時にZがA/Bに対してドリフトするのは、二つのチャネルの遅延差が360°·f·Δtとして電気角に換算されたものです。遅延がゲーティングの前にあれば、ゲーティング後のZはまず変わらず、余裕を使い切ると細くなり、やがて消えます。ゲーティングの後にあれば、原点復帰位置が速度とともに変わる形で直接現れます。余裕と最高周波数からΔt_maxを見積もり、二つの回転速度・二つの方向の測定で遅延を静的偏差とヒステリシスから分離し、信号経路に沿って区間ごとに特定すればよいのです。
中国語原文記事の翻訳 (0233). ENC7 コード板メーカー（お問い合わせ） · 技術記事 · https://enc7.com
© 廊坊晶正光電技術有限公司（Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd.）無断転載を禁じます。本記事はAIの支援を受けて作成されています。