Belirti: Duruşta enterpolasyonlu konum 1 LSB'den fazla titriyor – gürültü zincirini kademe kademe izlemek

Duruştaki konum gürültüsü σ_θ ≈ σ_v/A’dır (elektriksel açı); 2048 çizgi, 1 V genlik ve 1 mV gürültüde yaklaşık 0,1″ RMS eder. Bu makale saçma gürültüsü, direnç gürültüsü, op-amp gürültüsü, ADC, LED dalgalılığı ve mekanik titreşim için kademe kademe tahmin formülleri ve örnek bir bütçe verir; ayrıca mili kilitleme, beslemeyi değiştirme, ışığı kesme, ışığı azaltma sırasıyla yerini bulma yöntemini ve her kaynağın ayırt edici izini açıklar.

Enkoder duran bir mile takılı, ancak 23 bitlik mutlak konumun son birkaç biti sürekli değişiyor; tepeden tepeye beş altı LSB. Müşterinin sorusu açık: Kod diski mi kötü, okuma kafası mı gürültülü, yoksa makine mi titriyor? Gürültü ışık kaynağından ADC’ye kadar her kademede doğabilir; ya da hiç gürültü değildir, mil gerçekten hareket ediyordur. Bu makale her kademe için bir tahmin formülü ve örnek bir bütçe verir, ardından sahada kademe kademe ayırma, değiştirme ve ışığı kesme yoluyla yerini bulma yöntemini anlatır.

Ölçüt: Ne kadar gürültü okumayı 1 LSB sıçratır

A ve B kanallarının her birinde bağımsız toplamsal gürültü σ_v varsa, atan2 ile hesaplanan açının gürültüsü şudur (türetme için kütüphanedeki ADC bit sayısı ve enterpolasyon çözünürlüğü makalesine bakın):

σ_θ = σ_v / A (elektriksel açı, rad)

Mekanik açıya çevirmek için bir sinyal periyoduyla çarpılır ve 2π’ye bölünür. 2048 çizgide 1 rad elektriksel açı yaklaşık 100,7″‘dir; 1 V genlik ve 1 mV gürültü yaklaşık 0,1″ RMS verir.

Örneklerin %99,9’u ±3,3σ içinde kalır. Duruşta okumanın 1 LSB sıçramaması için 6,6σ_θ ≤ LSB, yani σ_v/A ≤ (2π/K)/6,6 olmalıdır; K, bir sinyal periyodundaki LSB sayısıdır. 2048 çizgide:

23 bit yaklaşık 73 dB sinyal-gürültü oranına karşılık gelir; analog ön uç bunu birkaç yüz kHz bant genişliğinde doğrudan sağlamakta zorlanır. Bu nedenle önce hangi kaynağın baskın olduğu belirlenmelidir.

Kademe kademe tahmin: altı kaynak

Örnek bir okuma kafası ele alınır (varsayım): diferansiyel A = I₀ − I₁₈₀, faz başına DC fotoakım I_dc = 0,5 μA, modülasyon derinliği m = 0,5, her faz için bir transempedans yükseltici, R_f = 1 MΩ, giriş kapasitansı C_in = 20 pF, op-amp gerilim gürültüsü e_n = 10 nV/√Hz, gürültü bant genişliği B = 500 kHz; dolayısıyla A = 2m·I_dc·R_f = 0,5 V.

1. Saçma gürültüsü. İki fazın DC bileşeni de katkıda bulunur: σ_v/A = √(qB/I_dc)/m, q elektron yüküdür. Örnek: 8,0×10⁻⁴. Işık şiddeti düştüğünde 1/√I ile büyür.

2. Geri besleme direncinin termal gürültüsü. Her transempedans kademesinin akım gürültüsü √(4kTB/R_f)‘dir; iki faz birleştiğinde örnekte 2,6×10⁻⁴. R_f büyüdükçe görece küçülür.

3. Giriş kapasitansı üzerinden op-amp gerilim gürültüsü. 1/(2πR_f·C_in) (yaklaşık 8 kHz) üzerinde e_n, C_in tarafından yükseltilir; eşdeğer giriş akım gürültüsü yaklaşık

i_n ≈ e_n·2πC_in·√(B³/3)

Örnek 7,3×10⁻⁴, saçma gürültüsüyle aynı mertebede. B^1,5 ile büyür; bant genişledikçe daha belirgin hâle gelir.

4. ADC. Kuantalama gürültüsü q_ADC/√12 artı dönüştürücünün kendi giriş gürültüsü; örnekte 0,25 mV alınarak 5,0×10⁻⁴. Referans gerilimi gürültüsü çarpımsaldır: A ve B eş zamanlı örneklendiğinde oranda sadeleşir; tek bir ADC zaman paylaşımlı kullanıldığında (δ_B − δ_A)·sin2θ/2 kalır.

5. LED sürücü dalgalılığı. Dalgalılık r, A ve B’yi birlikte ölçekler ve tek başına açıyı değiştirmez; Lissajous eğrisinde lekeyi yalnızca radyal yönde uzatır (bkz. Şekil 1). Açıya ancak sadeleşmemiş, ışık şiddetiyle orantılı bir DC bileşen üzerinden girer:

δθ = r·(ε_B·cosθ − ε_A·sinθ)

ε_A ve ε_B iki kanalın bağıl ofsetleridir. Diferansiyel yapıda %2 artık ofset ve %0,5 RMS dalgalılıkta yalnızca yaklaşık 1,0×10⁻⁴; ancak tek uçlu sinyallerde DC sabit bir referansa göre çıkarılıyorsa DC/genlik oranı 1/m = 2 olur ve aynı %0,5 dalgalılık yaklaşık %1 gürültüye, yani yaklaşık 1″‘ye dönüşür; bu, diğer tüm terimlerin çok üzerindedir.

6. Mekanik titreşim. Milin gerçek açısal titreşimi doğrudan okumaya yansır ve Lissajous eğrisinde lekeyi teğetsel yönde uzatır. Açısal titreşim genliği 0,1″ varsayılırsa RMS değeri yaklaşık 0,071″‘dir.

Bütçe Şekil 2’de özetlenmiştir: elektronik terimlerin toplamı yaklaşık 0,123″, mekanik titreşim eklenince yaklaşık 0,142″ RMS, yani 0,92 LSB; ±3,3σ tepeden tepeye değeri yaklaşık 6 LSB’dir ve baştaki belirtiyle uyuşur. 23 bitte duruşta sıçrama olmaması için σ’nın yaklaşık 0,023″‘ye inmesi gerekir; bu yalnızca analog ön uçla çok zordur, genellikle duruşta dijital filtreleme ile eşdeğer bant genişliği daraltılır.

Sahada yerini bulma: ayır, değiştir, ışığı kes

Sıralama söküp takma maliyetine göre küçükten büyüğe yapılır:

1. Mili kilitle, sürücüyü devreden çıkar. Mili sıkıştırın veya servo etkinleştirmeyi kesin (düşey eksenlerde güvenliğe dikkat). Gürültü belirgin biçimde düşer ve teğetsel uzamış leke kaybolursa neden mekanik titreşim veya servonun konum tutarken ileri geri salınmasıdır; okuma kafasında sorun yoktur. Ardından duruş konumunun spektrumunu alın ve çizgilerin yapısal rezonanslara, şebeke frekansına veya PWM frekansına denk gelip gelmediğine bakın.
2. LED’i başka bir besleme ile yak. Özgün sürücü yerine pille beslenen doğrusal sabit akım kaynağı kullanın. Gürültü düşerse sürücü dalgalılığı DC bileşen üzerinden sızıyordur; tek uçlu yapılarda bu madde özellikle kontrol edilmelidir.
3. Işığı kes. Okuma penceresini örtün veya LED’i kapatın ve A ile B’deki gürültü gerilimi σ_dark’ı ölçün; bu elektronik gürültü tabanıdır. Aydınlık durumdaki σ_light ile σ_dark’ın karelerinin farkının karekökü, saçma gürültüsü artı dalgalılık terimidir. Önce sabit ışık geri beslemesini devre dışı bırakın; aksi hâlde ışık kesildiğinde geri besleme LED’i maksimuma sürer.
4. ADC girişlerini kısa devre et. Geriye ADC ve referans gürültüsü kalır; veri sayfasıyla karşılaştırılabilir.
5. Işık şiddetini yarıya indir. Toplam gürültü yaklaşık 2 katına çıkarsa elektronik gürültü baskındır; yaklaşık 1,41 katına çıkarsa saçma gürültüsü baskındır; neredeyse değişmezse kaynak çarpımsal veya mekaniktir (bkz. Şekil 3). Örnek okuma kafasında ışık yarıya indirildiğinde gürültü 0,142″‘den 0,229″‘ye, yaklaşık 1,61 katına çıkar; iki durumun arasındadır ve bütçeyle tutarlıdır.
6. Duruş konumunu değiştir. Bir sinyal periyodu içinde 8 konumda σ’yı ölçün. Toplamsal gürültü konumdan bağımsızdır; periyotta bir kez dalgalanma ofset üzerinden sızan dalgalılığa işaret eder; periyotta dört kez ve 45° civarında maksimum, zaman paylaşımlı örneklemedeki referans gürültüsüne işaret eder.

Kod diski tarafının etkisi esas olarak genlik üzerinden görülür: kirlenme, geçirgen bölgelerde buğulanma veya fazla büyük okuma aralığı A’yı düşürür ve sabit elektronik gürültü oransal olarak büyür. Bu nedenle aynı okuma kafası farklı disklerde farklı titreşim gösteriyorsa önce gürültüden şüphelenmek yerine iki diskin genlikleri karşılaştırılmalıdır.

Mühendislik notları

• Önce belirtiyi σ_v/A’ya çevirin: 23 bit ve 2048 çizgide duruşta 1 LSB sıçramaması için yaklaşık 2,3×10⁻⁴, yani yaklaşık 73 dB gerekir.
• Saçma gürültüsü σ_v/A = √(qB/I_dc)/m; fotoakımı ve modülasyon derinliğini artırmak op-amp seçmekten daha etkilidir.
• Giriş kapasitansı üzerinden op-amp gerilim gürültüsü B^1,5 ile büyür; bant genişliğini yalnızca yeterli olacak kadar tutun ve dedektör ile hat kapasitansını mümkün olduğunca küçültün.
• Tek uçlu ve DC’si sabit referansa göre çıkarılan yapılar LED dalgalılığına son derece duyarlıdır; %0,5 dalgalılık yaklaşık 1″ titreşime yol açabilir. Diferansiyel yapıya veya regüleli akım sürüşüne geçin.
• Mili kilitle, beslemeyi değiştir, ışığı kes, ADC’yi kısa devre et, ışığı yarıya indir: bu sırayla kademe kademe arayın ve her adımda yalnızca bir değişkeni değiştirin.
• Lissajous lekesinin şekli hızlı bir ölçüttür: yuvarlak leke toplamsal gürültü, radyal uzama çarpımsal kaynak, teğetsel uzama gerçek harekettir.

Özet

Duruşta enterpolasyonlu konumun titremesi özünde σ_v/A’nın yeterince küçük olmaması ya da milin kendisinin hareket etmesidir. Saçma gürültüsü, direnç termal gürültüsü, op-amp gerilim gürültüsü, ADC, LED dalgalılığı ve mekanik titreşim tek tek tahmin edilip mili kilitleme, beslemeyi değiştirme, ışığı kesme, ışığı azaltma sırasıyla karşılaştırma deneyleri yapıldığında baskın terim bulunur; ışık şiddeti ve duruş konumu değişkenlerine göre farklı ölçeklenme, kaynakları ayırt etmenin en zahmetsiz izidir.

Çince orijinal makalenin çevirisi (0222). ENC7 – enkoder diski üreticisi (teklif) · Teknik makaleler · https://enc7.com

© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Tüm hakları saklıdır. Bu makale yapay zekâ desteğiyle hazırlanmıştır.