신호 문제 사례집
증상: 구형파에 계단이나 중간 레벨이 나타난다 — 채널 단락과 드라이버 충돌
구형파의 계단은 대개 두 출력이 서로 단락되었거나 두 푸시풀 드라이버가 서로 충돌하는 것이며, 중간 레벨은 출력 저항 분압으로 정해진다: V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L). 본고는 계단 레벨과 출력 임피던스의 관계를 유도하고, 계단이 다른 채널의 전환 위치에 나타나는 이유를 설명하며, 채널별 측정 절차와 디스크를 배제하는 판정 기준을 제시한다.
오실로스코프로 보면 엔코더 A상 구형파의 하이 레벨이 평평한 선이 아니다. 앞 절반은 2~4 V에 그치고 뒤 절반만 5 V에 이르며, 로 레벨도 조금 떠 있다. 계단은 매 주기 고정된 위치에 나타난다. 코드 디스크가 더럽거나 리드헤드가 고장 났다고 의심하는 사람도 있지만, 디스크가 디지털 출력에 중간 레벨을 만들 수는 없다. 이런 계단은 거의 항상 전기적인 것으로, 두 출력이 서로 단락되었거나 두 드라이버가 같은 선에 연결된 경우다. 본고는 출력 저항 분압에서 계단 레벨을 계산하고, 왜 정확히 다른 채널이 전환될 때 나타나는지 설명한 뒤 채널별 고장 탐색 절차를 제시한다.
모델: 출력 저항 분압
푸시풀 출력단은 테브난 등가로 나타낼 수 있다. 하이 출력일 때는 전원 V_H와 상측 트랜지스터 온 저항 R_H의 직렬, 로 출력일 때는 그라운드와 하측 트랜지스터 온 저항 R_L의 직렬이다. A와 B 채널 사이에 단락 저항 R_s가 있다(도체 절연 손상, 커넥터 핀 브리지, 납땜 브리지).
두 채널이 모두 하이이거나 모두 로이면 R_s에 전류가 흐르지 않아 레벨이 정상이다. A가 하이, B가 로이면 전류가 A의 상측 트랜지스터에서 R_s를 거쳐 B의 하측 트랜지스터로 흐른다.
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 → 0이면 둘 다 V_mid = V_H·R_L/(R_H + R_L)에 접근한다.
예(가정): 5 V 푸시풀, R_H = 30 Ω, R_L = 15 Ω. 완전 단락 시 V_mid ≈ 1.67 V로, TTL 입력의 0.8~2.0 V 불확정 영역 한가운데이므로 수신 측이 하이 또는 로를 무작위로 판정할 수 있다. 전류는 약 111 mA여서 대부분의 드라이버가 전류 제한에 들어가며, 이때 레벨은 저항 분압이 아니라 전류 제한으로 정해진다. R_s = 100 Ω이면 A의 하이 레벨은 5 V에서 3.97 V로 떨어지고 A의 로 레벨은 0.52 V로 올라간다. 수신 측은 아직 올바르게 읽지만 노이즈 마진은 뚜렷이 줄어든다(그림 2 왼쪽).
두 푸시풀 드라이버가 같은 선에 연결된 경우(드라이버 충돌)는 R_s ≈ 0이고 각 드라이버가 제각기 전환하는 같은 회로다. 하나가 하이, 다른 하나가 로일 때 선 레벨은 V_mid 근처로 떨어지며 큰 전류와 발열을 동반한다.
계단이 다른 채널의 전환 위치에 있는 이유
A와 B는 전기각 90° 떨어져 있으므로 A의 하이 반주기마다 B는 정확히 한 번 전환된다. 처음 90°는 “A 하이, B 로"로 전류가 흘러 레벨이 끌어내려지고, 다음 90°는 “A 하이, B 하이"로 전류가 없어 레벨이 회복된다. 로 반주기도 마찬가지다. 따라서 계단 경계는 B의 에지와 엄밀히 동시이고 계단 폭은 항상 전기각 90°이며, 그 시간 길이는 속도가 올라갈수록 비례하여 짧아진다.
세 레벨로 저항을 역산할 수도 있다. A 하이·B 로일 때의 A 레벨을 V2, A 로·B 하이일 때의 A 레벨을 V3라 하면
(V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L
위 예에서 V2 = 3.97 V, V3 = 0.52 V이고 비는 1.03 : 3.45 : 0.52, 즉 30 : 100 : 15다. 파형만으로도 단락 저항이 상측 트랜지스터 저항의 몇 배임을 추정할 수 있다.
차동 RS-422 연결에도 같은 문제가 있으며 다만 덜 드러날 뿐이다. 120 Ω 종단과 위의 드라이버 파라미터로 계산하면 A+와 B+ 사이의 완전 단락은 B가 반전된 절반에서 A의 차동 진폭을 약 3.6 V에서 약 1.6 V로 낮춘다. 수신기의 ±200 mV 임계값보다 여전히 훨씬 높아 카운트는 완전히 정상일 수 있지만, 드라이버는 장시간 큰 전류로 동작하고 노이즈 마진의 절반 이상이 사라진다.
반사·크로스토크와의 구별
- 단락 또는 충돌: 계단이 다른 채널의 전환 위치에서 시작해 다음 천이까지 지속된다. 폭은 전기각 90°이며 속도에 따라 변한다.
- 케이블 반사: 계단이 해당 채널 자신의 에지 직후에 오고 케이블 왕복 시간 2·t_d 동안 지속된다(케이블 길이 1 m당 약 10 ns, 20 m에서 약 200 ns). 속도와 무관하며 정합 종단을 달면 변한다.
- 크로스토크: 다른 채널의 전환 위치에 수 ns에서 수십 ns 안에 감쇠하는 스파이크이며 평탄부가 없다.
고장 탐색 절차
- 세 레벨과 계단 위치 기록: A와 B를 두 채널로 동시에 관찰하여 계단 경계가 B의 에지와 일치하는지 확인하고 V2와 V3를 계산한다.
- 부하 분리: 케이블을 빼고 엔코더 커넥터에서 직접 측정한다. 계단이 사라지면 문제는 케이블이나 수신 측에 있고, 남으면 엔코더 내부(출력단 손상, 기판의 납땜 브리지)를 본다.
- 케이블 단독 시험: 전원을 끈 상태에서 멀티미터로 모든 도체 간 저항을 측정하면 단락 저항을 바로 읽을 수 있다. 케이블을 구부리며 다시 측정해 눌림과 마모를 찾는다.
- 수신 측 단독 시험: 엔코더 없이 수신 장비만 연결하고 입력 핀에서 전압이 나오는지 확인한다. 나온다면 그 포트가 출력으로 설정되어 있거나(예: 분주 펄스 출력 포트) 다른 엔코더가 병렬로 연결된 것, 즉 드라이버 충돌이다.
- 채널별 복구: 한 번에 한 채널씩 연결하여 어느 두 채널이 결합되어 있는지 확인한다.
디스크 배제 기준: 디스크와 리드헤드 광학계는 비교기 앞의 아날로그 신호에만 영향을 주며 듀티비, 위상, 진폭, 펄스 누락으로 나타난다. 디지털 출력에 다른 채널과 동기된 중간 레벨을 만들 수는 없다. 계단 경계가 다른 채널의 에지와 엄밀히 동시이고 계단 레벨이 속도, 광량, 갭(판독 간격)에 따라 변하지 않는 한 디스크를 더 볼 필요가 없다.
설계 포인트
- 구형파의 중간 레벨은 먼저 V_mid ≈ V_H·R_L/(R_H + R_L)로 추정한다. 5 V, 30 Ω/15 Ω의 완전 단락은 약 1.67 V로 TTL 불확정 영역에 들어간다.
- 다른 채널의 에지와 동시인 계단 경계와 전기각 90°의 폭은 단락이나 드라이버 충돌의 지문이다.
- (V_H − V2) : (V2 − V3) : V3 = R_H : R_s : R_L로 파형에서 단락 저항을 바로 추정한다.
- 반사 계단은 자기 채널의 에지를 따르며 폭이 2·t_d로 고정되고, 크로스토크는 평탄부가 아닌 스파이크다. 세 가지는 한눈에 구별된다.
- 차동 연결에서는 완전 단락이라도 카운트가 누락되지 않을 수 있지만 드라이버가 큰 전류로 동작하므로 용인하지 말고 수리해야 한다.
- 부하 분리, 케이블 단독 시험, 수신 측 단독 시험의 세 단계로 문제를 엔코더, 케이블, 수신 장비 중 하나로 좁힌다.
정리
구형파의 계단이나 중간 레벨은 본질적으로 단락 저항이나 직접 병렬 연결을 통해 두 출력이 충돌하는 것이다. 레벨은 출력 저항 분압으로 정해지고, 계단은 정확히 다른 채널의 전환 위치에 전기각 90° 폭으로 놓인다. 세 레벨로 단락 저항을 역산하고 계단 위치로 단락·반사·크로스토크를 구별한 뒤 부하를 분리해 채널별로 측정하면, 디스크에 시간을 허비하지 않고 빠르게 고장을 찾을 수 있다.
중국어 원문 기사 번역 (0238). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. 무단 전재를 금합니다. 이 글은 AI의 도움을 받아 작성되었습니다.