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計工作中，編碼器是一個關鍵的組件，它在眾多領域都發揮著重要作用。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、產品概述

AEDR - 9940是一款三通道反射式光學編碼器，具有可選擇和可編程的特性，能夠提供三通道數字或模擬差分A、B和I輸出。它有模擬和數字兩種編碼器模式。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；在數字模式下，則提供兩通道（AB）正交數字輸出和第三通道數字索引輸出，并且輸出與TTL兼容，能方便地與大多數信號處理電路集成，為現有系統的設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、工業和汽車等多種終端應用。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化合物，非常適合對尺寸和空間要求較高的微型商業應用。

二、應用領域

AEDR - 9940的應用范圍十分廣泛，涵蓋了閉環步進電機、小型電機和執行器、工業打印機、機器人、讀卡器、PTZ相機、便攜式醫療設備、驗光設備以及線性平臺等領域。不過需要注意的是，該產品并非專門為特定設備設計或制造，客戶需要自行確定其是否適用于預期應用，并承擔相關使用責任。

三、產品特性

輸出選項豐富

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

插值器選擇多樣

內置了從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；內置LED電流調節功能。

四、參數定義

數字參數

模擬參數

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，暴露在強光下（如閃光燈或聚光燈）可能會對設備造成永久性損壞，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

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

七、上電行為

當AEDR - 9940上電時，數字輸出A、B和索引將處于空閑狀態，直到A或B數字信號發生切換。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 +可作為數字A +或模擬Sine +，CAL用于自動校準等。需要注意的是，部分引腳（如N.C.）為無連接引腳，所有角焊盤（標注為(25)）也無需連接。

九、選擇選項 - 內置插值因子

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，同時還可以進行索引選擇，不同的選擇組合對應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、程序內存編程以及插值設置等內容。

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引腳為編碼器狀態輸出，不建議直接用于驅動LED，若不使用可留空，“CAL”引腳應放置一個弱下拉電阻（如4.7 - kΩ）。

十二、自動校準過程

AEDR - 9940具有內置的自動校準過程，可在上電時通過將CAL焊盤（引腳5）短接到VDDA（或VDD）來觸發。校準的目的是將索引信號的中心與通道B信號的中心對齊，以優化編碼器ASIC的內部設置，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，也建議進行自動校準。

自動校準步驟

1. 將電機旋轉速度設置在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ASIC開始自動校準過程。
4. 等待至少5秒，觀察CAL_STAT引腳，校準開始時該引腳會開始脈沖，校準完成后將保持高電平；若校準失敗，CAL_STAT將繼續脈沖。
5. 移除CAL與VDDA或VDD之間的短接，進行一次電源循環，編碼器ASIC將正常工作。

十三、信號特性

數字信號特性

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、狀態誤差以及索引脈沖寬度等都有相應的典型值。不過需要注意的是，這些典型值是基于工廠設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和系統的設置條件。

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的指標要求。

十四、碼盤和碼條設計

碼盤設計

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計示例。

碼條設計

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，文檔中給出了相關的尺寸計算公式。

多索引脈沖碼條設計

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

十五、其他信息

封裝和PCB設計

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。編碼器封裝的光學中心必須與碼盤的 $R_{OP}$ 相切對齊，最佳間隙設置為1.35 mm，范圍為0.85 mm至2.35 mm（基于625 CPR）。當碼盤逆時針旋轉時，通道A領先通道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品時需要采取預防措施，以確保產品的可靠性。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，則需要進行烘烤，推薦的烘烤條件為60 ±5°C持續20小時（帶盤包裝）或125 ±5°C持續8小時（散裝單位）。

訂購信息

提供了不同包裝數量的AEDR - 9940產品型號，如AEDR - 9940 - 100（1000件）和AEDR - 9940 - 102（100件），還包括相關的評估板和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，在設計過程中，電子工程師需要充分了解其各項特性和參數，根據具體應用需求進行合理選型和設計，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用編碼器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。