信号トラブル事例集
症状：矩形波に段差や中間レベルが出る——チャネル間短絡とドライバの衝突
矩形波に段差が出るのは、多くの場合二系統の出力の短絡か、二つのプッシュプルドライバの引っ張り合いである。中間レベルは出力抵抗の分圧で決まり、V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L)となる。本記事では段差レベルと出力インピーダンスの関係を導き、段差がなぜ他方のチャネルの反転位置に出るかを説明し、チャネルごとの測定手順とコード板原因を除外する判定基準を示す。
オシロスコープでエンコーダのA相矩形波を見ると、Hレベルが平らな線になっていない。前半は2～4 Vしかなく、後半でやっと5 Vに達する。Lレベルも少し持ち上がっている。段差は毎周期現れ、位置もほぼ一定である。コード板の汚れや読取りヘッドの故障を疑う人もいるが、コード板がデジタル出力の一系統に中間レベルを生じさせることはありえない。この種の段差はほぼすべて電気的な問題で、二系統の出力が短絡しているか、二つのドライバが同じ線につながっている。本記事では出力抵抗の分圧から段差レベルを計算し、それがなぜちょうど他方のチャネルの反転時刻に現れるかを説明し、チャネルごとに測る調査手順を示す。
モデル：出力抵抗の分圧
プッシュプル出力段はテブナン等価回路で表せる。出力Hのときは電源V_Hに上側トランジスタのオン抵抗R_Hが直列に入ったもの、出力Lのときはグランドに下側トランジスタのオン抵抗R_Lが直列に入ったものに相当する。A、B両チャネル間に短絡抵抗R_sがある（心線の損傷、コネクタピンのブリッジ、はんだブリッジ）。
両チャネルがともにHまたはともにLのときはR_sに電流が流れず、レベルは正常である。AがH、BがLのときは、Aの上側トランジスタからR_sを通ってBの下側トランジスタへ電流が流れる。
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)
R_s → 0では両者ともV_mid = V_H·R_L/(R_H + R_L)に近づく。
計算例（仮定）：5 Vプッシュプル、R_H = 30 Ω、R_L = 15 Ω。完全短絡ではV_mid ≈ 1.67 Vで、ちょうどTTL入力の0.8～2.0 Vの不定領域に入り、受信側はHともLともランダムに判定しうる。電流は約111 mAで、多くのドライバは電流制限に入り、そのときレベルは抵抗分圧ではなく制限電流値で決まる。R_s = 100 ΩではAのHレベルが5 Vから3.97 Vに下がり、AのLレベルは0.52 Vに持ち上がる。受信側はまだ正しく判定できるが、ノイズマージンは明らかに小さくなる（図2左）。
二つのプッシュプルドライバが同じ線につながっている場合（ドライバ衝突）も同じ回路で、R_s ≈ 0、各ドライバが独立に反転するだけである。一方がH、他方がLのとき線のレベルはV_mid付近に落ち、大電流と発熱を伴う。
段差がなぜ他方の反転位置に出るか
AとBは電気角で90°ずれているので、AのHレベル半周期の中でBはちょうど一回反転する。前の90°は「AがH、BがL」で電流が流れ、レベルが引き下げられる。後の90°は「AがH、BもH」で電流が流れず、レベルが戻る。Lレベル半周期も同様である。したがって段差の境界はBのエッジと厳密に同時で、段差の幅は常に電気角90°であり、時間幅は回転速度に比例して短くなる。
三つのレベルから抵抗を逆算することもできる。AがH・BがLのときのAのレベルをV2、AがL・BがHのときのAのレベルをV3とすると
(V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L
上の例ではV2 = 3.97 V、V3 = 0.52 Vで、比は1.03 : 3.45 : 0.52、すなわち30 : 100 : 15となる。波形だけから、短絡抵抗が上側トランジスタ抵抗の数倍であることを見積もれる。
差動RS-422接続でも同じ問題は起きるが、表に出にくい。120 Ωの終端と上記のドライバ定数で計算すると、A+とB+が完全短絡した場合、Bが反転している半周期でAの差動振幅は約3.6 Vから約1.6 Vに下がる。それでも受信器の±200 mVしきい値よりはるかに高いので、カウントはまったく正常かもしれないが、ドライバは長時間大電流で動作し、耐ノイズマージンも半分以上食われる。
反射・クロストークとの区別
- 短絡または衝突：段差は他方のチャネルの反転位置に現れ、次の反転まで続く。幅は電気角90°で、回転速度とともに変わる。
- ケーブル反射：段差は自チャネルのエッジの直後に続き、持続時間はケーブル往復伝搬時間2·t_d（ケーブル長1 mあたり約10 ns、20 mで約200 ns）で、回転速度に依存せず、整合終端に替えると変わる。
- クロストーク：他方のチャネルの反転位置にスパイクが出て、数ns～数十nsで減衰し、平坦部はない。
調査手順
- 三つのレベルと段差位置を記録する：2チャネルでA、Bを同時に見て、段差の境界がBのエッジと同時であることを確認し、V2、V3を求める。
- 負荷を切り離す：ケーブルを外し、エンコーダのコネクタで直接測る。段差が消えれば問題はケーブルか受信側、残ればエンコーダ内部（出力段の損傷、基板上のはんだブリッジ）を調べる。
- ケーブル単体を測る：電源を切ってテスタで各心線間の抵抗を測ると、短絡抵抗が直接読める。ケーブルを曲げて再測定し、つぶれや摩耗を調べる。
- 受信側単体を測る：エンコーダをつながず受信機器だけを接続し、各入力ピンに電圧が出ていないか測る。出ていれば、そのポートが出力に設定されている（分周出力ポートなど）か、別のエンコーダが並列接続されており、ドライバ衝突である。
- 一系統ずつ戻す：毎回一系統だけを接続し、どの二系統の間に結合があるかを確かめる。
コード板原因を除外する判定基準：コード板と読取り光学系が影響するのはコンパレータより前のアナログ信号だけで、デューティ比、位相、振幅、パルス抜けとして現れる。デジタル出力に他チャネルと同期した中間レベルを生じさせることはない。段差の境界が他チャネルのエッジと厳密に同時で、段差レベルが回転速度、光量、ギャップで変わらない限り、コード板を調べる必要はない。
実務のポイント
- 矩形波の中間レベルはまずV_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L)で見積もる。5 V、30 Ω/15 Ωの完全短絡で約1.67 V、TTLの不定領域に入る。
- 段差の境界が他チャネルのエッジと同時で、幅が電気角90°であることが、短絡またはドライバ衝突の指紋である。
- (V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_Lを使えば、波形から直接短絡抵抗を見積もれる。
- 反射の段差は自チャネルのエッジに続き、幅は2·t_dで一定。クロストークは平坦部でなくスパイクで、三者は一目で区別できる。
- 差動接続では完全短絡でもカウントを落とさないことがあるが、ドライバは大電流で動作しており、放置せず必ず処置する。
- 負荷切離し、ケーブル単体測定、受信側単体測定の三段階で、問題をエンコーダ、ケーブル、受信機器のいずれかに特定できる。
まとめ
矩形波の段差や中間レベルは、本質的には二系統の出力が短絡抵抗または直接の並列接続を通じて引っ張り合っているもので、レベルは出力抵抗の分圧で決まり、段差はちょうど他方のチャネルの反転位置に、電気角90°の幅で現れる。三つのレベルから短絡抵抗を逆算し、段差の位置で短絡、反射、クロストークを区別し、負荷を切り離してチャネルごとに測れば、コード板に時間を費やすことなく素早く特定できる。
中国語原文記事の翻訳 (0238). ENC7 コード板メーカー（お問い合わせ） · 技術記事 · https://enc7.com
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