探索AEDR - 9940：高性能三通道反射式增量編碼器的奧秘

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，編碼器是一個關(guān)鍵的組件，它在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。今天，我們就來深入探討一下博通（Broadcom）的AEDR - 9940三通道反射式增量編碼器，看看它有哪些獨特之處。

文件下載：Broadcom HEDS-9940EVB 評估板.pdf

一、產(chǎn)品概述

AEDR - 9940是一款三通道反射式光學(xué)編碼器，具有可選擇和可編程的特性，能夠提供三通道數(shù)字或模擬差分A、B和I輸出。它有模擬和數(shù)字兩種編碼器模式。在模擬模式下，它具備三通道差分模擬輸出（Sine +、Sine -；Cos +、Cos -；I +、I -），可直接與外部插值器接口；在數(shù)字模式下，則提供兩通道（AB）正交數(shù)字輸出和第三通道數(shù)字索引輸出，并且輸出與TTL兼容，能方便地與大多數(shù)信號處理電路集成，為現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的靈活性。

該編碼器的工作溫度范圍為 - 40°C至115°C，具有高編碼分辨率，達(dá)到198.4375 LPI（線/英寸）或7.8125 LP mm（線/毫米）或0.128 mm（間距），適用于商業(yè)、工業(yè)和汽車等多種終端應(yīng)用。其小巧的尺寸為4.0 mm（L）×4.0 mm（W）×0.7 mm（H），還配備了半透明保護(hù)化合物，非常適合對尺寸和空間要求較高的微型商業(yè)應(yīng)用。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

AEDR - 9940的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)、小型電機(jī)和執(zhí)行器、工業(yè)打印機(jī)、機(jī)器人、讀卡器、PTZ相機(jī)、便攜式醫(yī)療設(shè)備、驗光設(shè)備以及線性平臺等領(lǐng)域。不過需要注意的是，該產(chǎn)品并非專門為特定設(shè)備設(shè)計或制造，客戶需要自行確定其是否適用于預(yù)期應(yīng)用，并承擔(dān)相關(guān)使用責(zé)任。

三、產(chǎn)品特性

輸出選項豐富

• 模擬輸出：提供三通道單端和差分模擬輸出，以及模擬或數(shù)字索引輸出。
• 數(shù)字輸出：三通道差分或TTL兼容，兩通道正交（AB）數(shù)字輸出用于方向感測，第三通道索引（I）數(shù)字輸出。

插值器選擇多樣

內(nèi)置了從1X到6X、8X、9X、10X、12X、16X、20X、25X、32X、50X、64X、80X、100X、128X、160X、256X、320X、640X到1000X的多種插值器，還可通過SPI對插值器進(jìn)行編程，范圍從1X到1024X。

其他特性

采用表面貼裝無引腳封裝，尺寸為4.0 mm（L）×4.0 mm（W）×0.7 mm（H）；工作電壓支持3.3V和5.0V電源；內(nèi)置LED電流調(diào)節(jié)功能。

四、參數(shù)定義

數(shù)字參數(shù)

模擬參數(shù)

五、絕對最大額定值

需要注意的是，如果超過最大額定值，編碼器的正常運行將無法得到保證。同時，暴露在強(qiáng)光下（如閃光燈或聚光燈）可能會對設(shè)備造成永久性損壞，在處理編碼器時還需采取防靜電放電措施，以避免ESD導(dǎo)致的損壞或性能下降。

六、推薦工作條件

電源電壓

支持3.0 - 3.6V（典型3.3V，紋波 < 100 mVpp，Vcc = VDD）和4.5 - 5.5V（典型5.0V）兩種電源。

電流消耗

Icc典型值為45 mA，具體取決于空間位置和旋轉(zhuǎn)速度。

引腳電流

所有I/O輸出的引腳電流范圍為 - 20 mA至20 mA。

最大輸出頻率

• 外部模式選擇：不同插值倍數(shù)下的最大輸出頻率不同，如1X插值時為0.25 MHz，8X插值時為2.00 MHz等。
• SPI可編程：插值 > 32X時，最大輸出頻率為4.00 MHz。

  其他參數(shù)

  包括切向不對準(zhǔn)（±0.35 mm，與CPR有關(guān)）、徑向不對準(zhǔn)碼盤間隙、鏡面反射率、三態(tài)電壓閾值等都有相應(yīng)的推薦值。

七、上電行為

當(dāng)AEDR - 9940上電時，數(shù)字輸出A、B和索引將處于空閑狀態(tài)，直到A或B數(shù)字信號發(fā)生切換。這個階段也稱為啟動階段，編碼器處于識別模式，用于驗證邏輯和碼盤位置。

八、編碼器引腳排列

AEDR - 9940共有25個引腳，每個引腳都有其特定的功能，如CH A +可作為數(shù)字A +或模擬Sine +，CAL用于自動校準(zhǔn)等。需要注意的是，部分引腳（如N.C.）為無連接引腳，所有角焊盤（標(biāo)注為(25)）也無需連接。

九、選擇選項 - 內(nèi)置插值因子

通過配置選擇引腳，用戶可以在不通過SPI通信的情況下，從1X到1000X選擇插值因子，同時還可以進(jìn)行索引選擇，不同的選擇組合對應(yīng)著不同的插值和索引模式。

十、可編程插值因子

編碼器可通過SPI進(jìn)行編程，插值因子范圍從1X到1024X。具體編程步驟包括配置外部選擇為SPI模式、設(shè)置輸出使能等，還涉及SPI通信的引腳排列、讀寫時序圖、解鎖序列、程序內(nèi)存編程以及插值設(shè)置等內(nèi)容。

十一、電源引腳和布線推薦

VDDA和VDD電源以及各自的接地（VSSA和VSSD）應(yīng)分開連接。推薦使用一對2.2 - μF和0.1 - μF的電容器作為VDD和VDDA走線的旁路電容，將它們盡可能靠近編碼器ASIC封裝并放置在電源和接地引腳之間；設(shè)計單獨的VDD和VDDA走線，并盡量減小走線或電纜長度。同時，要確保VDDA和VDD電壓電平相同，VSSA和VSS連接在一起，LEDERR和CAL_STAT引腳為編碼器狀態(tài)輸出，不建議直接用于驅(qū)動LED，若不使用可留空，“CAL”引腳應(yīng)放置一個弱下拉電阻（如4.7 - kΩ）。

十二、自動校準(zhǔn)過程

AEDR - 9940具有內(nèi)置的自動校準(zhǔn)過程，可在上電時通過將CAL焊盤（引腳5）短接到VDDA（或VDD）來觸發(fā)。校準(zhǔn)的目的是將索引信號的中心與通道B信號的中心對齊，以優(yōu)化編碼器ASIC的內(nèi)部設(shè)置，提高可靠性和性能。即使在編碼器組裝后首次上電時A、B和I信號看起來正常，也建議進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

自動校準(zhǔn)步驟

1. 將電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置在1000 - 2000 rpm之間。
2. 使用高值電阻（如4.7 kΩ或5.6 kΩ）將CAL焊盤短接到VDDA或VDD線。
3. 給編碼器上電，觸發(fā)ASIC開始自動校準(zhǔn)過程。
4. 等待至少5秒，觀察CAL_STAT引腳，校準(zhǔn)開始時該引腳會開始脈沖，校準(zhǔn)完成后將保持高電平；若校準(zhǔn)失敗，CAL_STAT將繼續(xù)脈沖。
5. 移除CAL與VDDA或VDD之間的短接，進(jìn)行一次電源循環(huán)，編碼器ASIC將正常工作。

十三、信號特性

數(shù)字信號特性

以碼盤 $R_{OP}$ @ 12.73 mm、625 CPR為例，不同插值值下的周期誤差、脈沖寬度（占空比）誤差、相位誤差、狀態(tài)誤差以及索引脈沖寬度等都有相應(yīng)的典型值。不過需要注意的是，這些典型值是基于工廠設(shè)置條件在每個插值的最大輸出頻率下的平均值，編碼器的最佳性能還取決于電機(jī)和系統(tǒng)的設(shè)置條件。

電氣特性

在25°C的推薦工作條件下，通道A和B信號的高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、每通道輸出電流、上升時間和下降時間等都有相應(yīng)的指標(biāo)要求。

十四、碼盤和碼條設(shè)計

碼盤設(shè)計

碼盤的窗口軌道為反射表面，條形軌道為不透明表面。增量窗口/條形軌道為梯形，數(shù)量取決于CPR，且增量窗口/條形寬度相同。增量窗口軌道和索引窗口軌道之間存在偏移F，索引窗口軌道為矩形，寬度為0.04988 mm。文檔中還給出了具體的尺寸計算公式和設(shè)計示例。

碼條設(shè)計

增量/索引窗口軌道為反射表面，增量條形軌道為不透明表面。窗口寬度用Wwindow表示，條形寬度用Wbar表示，所有窗口和條形寬度相同，增量窗口軌道和索引窗口軌道之間也存在偏移F。同樣，文檔中給出了相關(guān)的尺寸計算公式。

多索引脈沖碼條設(shè)計

對于偽絕對編碼器應(yīng)用，可以在碼盤或碼條中設(shè)計多個索引脈沖。索引間距必須是增量間距的整數(shù)倍，不同應(yīng)用場景下的整數(shù)倍數(shù)要求不同，如線性應(yīng)用為4，旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中CPR > 512時為4等。

十五、其他信息

封裝和PCB設(shè)計

AEDR - 9940采用特定的封裝，文檔提供了封裝外形圖和推薦的PCB焊盤圖案，所有尺寸單位為mm，公差為x.xx ±0.05 mm。

編碼器放置和方向

編碼器的發(fā)射器和探測器芯片與碼盤窗口/條形方向平行，編碼器封裝安裝在碼盤上方并朝下。編碼器封裝的光學(xué)中心必須與碼盤的 $R_{OP}$ 相切對齊，最佳間隙設(shè)置為1.35 mm，范圍為0.85 mm至2.35 mm（基于625 CPR）。當(dāng)碼盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，通道A領(lǐng)先通道B，反之亦然。

濕度敏感度

該編碼器封裝的濕度敏感度等級為3（MSL 3），在處理這種對濕度敏感的產(chǎn)品時需要采取預(yù)防措施，以確保產(chǎn)品的可靠性。在使用前，未開封的防潮袋（MBB）可在 < 40°C/90% RH條件下存儲12個月，建議在組裝前再打開。打開MBB后，要在168小時內(nèi)完成SMT回流焊接，未完成的卷軸需在 < 5% RH條件下存儲和密封。如果濕度指示卡（HIC）讀數(shù)在23 ±5°C時 > 10% 或編碼器在打開防潮袋后的存放時間超過168小時，則需要進(jìn)行烘烤，推薦的烘烤條件為60 ±5°C持續(xù)20小時（帶盤包裝）或125 ±5°C持續(xù)8小時（散裝單位）。

訂購信息

提供了不同包裝數(shù)量的AEDR - 9940產(chǎn)品型號，如AEDR - 9940 - 100（1000件）和AEDR - 9940 - 102（100件），還包括相關(guān)的評估板和SPI編程套件等信息。

總的來說，AEDR - 9940是一款性能出色、功能豐富的編碼器，在設(shè)計過程中，電子工程師需要充分了解其各項特性和參數(shù)，根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行合理選型和設(shè)計，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用編碼器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。