אנקודרים להרכבה-בלוח – הבנת מושגי היסוד

מאמר זה יצלול בתחום הנדסת החשמל של אנקודרים סיבוביים להרכבה-בלוח. התקנים אלה הם בעצם מתמרים (Transducers) הממירים העתקה סיבובית לאותות חשמליים עבור המערכת המארחת. המנגנון של אנקודרים כרוך בהפקת פולסים במהלך סיבוב, ובכך מתן אפשרות להתקן‏ בקרה להבחין במידע חיוני כגון כיוון, מיקום, ספירה או מהירות.

אנקודרים להרכבה-בלוח הם חיוניים למגוון תעשיות. ניתן למצוא אותם בתעשיות כגון הגנה וביטחון ותעופה וחלל, רפואה, מוצרים לצרכנים, בדיקה/מדידה ועוד. הוורסאטיליות של‏ אנקודרים להרכבה-בלוח מאפשרת להם לשחק‏ תפקיד ביישומים שונים כגון בקרות תא טייס, מיקסרים בסטודיו וציוד אודיו, מעבדה אלקטרונית ומערכי מכשור, דוחפי מנוע וכו'. בשל‏ הוורסאטיליות שלהם, אנקודרים להרכבה-בלוח הם הבחירה המובילה עבור יצירת ממשקי בקרה מדויקים. מאמר זה יחקור את פעולתם הבסיסית של אנקודרים סיבוביים להרכבה-בלוח וישפוך אור על מפרטים ושיקולים מרכזיים.

מושגי יסוד בנושא אנקודרים להרכבה-בלוח

כשמדובר באנקודרים סיבוביים, אנקודרים להרכבה-בלוח מקבלים את שמם פשוט מהעובדה שהם מקובעים פיזית ללוחות. התקנים אלה משרתים בעיקר פונקציות ממשק אדם, כפי שמודגם על ידי כפתור העוצמה במערכת סטריאו. תפקידם‏ הוא להסמיך משתמשים לתפעל פרמטרים שונים של מערכת, ופועלים כאפיק בין המשתמש לבין מעבד המערכת.

השוואת אנקודרים סיבוביים להרכבה-בלוח לפוטנציומטרים, רכיב אחר המחובר בלוח עם פונקציית תרגום סיבוב-לאות דומה, מגלה יתרונות נבדלים. אנקודרים להרכבה-בלוח מתהדרים בטולרנסים של ייצור הדוקים יותר, וכתוצאה מכך דיוק ועקביות משופרים. נוסף לכך, היציאות הדיגיטליות שלהם מישרות קו באופן חלק עם התקנים דיגיטליים, מבטלים את הצורך בממירי אנלוגי-לדיגיטלי, ובכך מקטינים עלויות ושגיאות פוטנציאליות. עם זאת, עבור אלה הסקרנים אודות פוטנציומטרים, המאמר של Same Sky,‏ "המדריך השלם לפוטנציומטרים", מציע‏ חקר מקיף של רכיבים דומים ועם זאת שונים אלה.

מפרטים ושיקולים של אנקודרים להרכבה-בלוח

מספר מפרטי ושיקולי מפתח מצדיקים תשומת לב נוספת כשמתעמקים במאפיינים של‏ אנקודרים סיבוביים להרכבה-בלוח. PPR, או פולסים לסיבוב, בולט כמדד מגדיר, מכמת את רזולוציית האנקודר על ידי ציון מספר הפולסים של גל ריבועי המופק בסיבוב של 360 מעלות (איור 1). רזולוציה ניתנת לציון גם ב-CPR (ספירה לסיבוב), מחושבת כ-PPR‏ מוכפל ב-4, המייצגת את מספר שינויי המצב של שני אותות גל ריבועי בהפרש מופע של 90 מעלות (quadrature state changes) לסיבוב. להבנה מקיפה של מדדים אלה, המאמר של Same Sky עם הכותרת מה ההבדל בין PPR,‏ CPR ו-LPR של אנקודר אינקרמנטלי? הוא משאב יקר ערך.

איור 1‏: פולסים נמדדים כצורות גל מנקודה זהה אחת לשנייה. (מקור תמונה: Same Sky)

לשון מתכת המונעת סיבוב לאחור תורמת למשוב משתמש על ידי "הקלקה" נשמעת במהלך סיבוב גל משונן. מוגדרות במונחים של מספר הקלקות‏ לסיבוב של 360 מעלות, לשונות המתכת משמשות למניעת סיבוב בלתי רצוי ולספק אינדיקציה טקטילית במעלות מסוימות של תנועת גל.

מאפיין הלחיצה של לחצן המתג, המוסיף לפונקציונליות של האנקודר, גורם לאות כניסה נוסף של משתמש. על ידי לחיצה על גל האנקודר, מופעל מתג SPST פשוט. בדרך כלל משתמשים במאפיין זה כדי לבחור פונקציות שיתופעלו על ידי סיבוב כפתור האנקודר.

אנקודרים סיבוביים ממנפים גלים ריבועיים של שני ערוצים המוסטים ב-‏90‏ מעלות חשמליות כדי להבחין בכיוון. היסט המופע היחסי בין ערוצים אלה מאפשר את גילוי הערוץ המוביל, מה שמספק ‏אינדיקטור אמין של כיוון הסיבוב (איור 2‏).

איור 2‏: גילוי האות המוביל מאפשר את ניטור הסיבוב בכיוון השעון ונגד כיוון השעון. (מקור תמונה: Same Sky)

בחתירה לרזולוציה גבוהה יותר, יישומים רבים מעדיפים שינויי מצב של שני אותות גל ריבועי בהפרש מופע של 90 מעלות (quadrature state changes), בהם מחזור אחד כולל‏ מעבר ממצב נמוך לגבוה לפני חזרה למצב נמוך בשני הערוצים. גישה זו למעשה מגדילה את הספירה לסיבוב, מגדילה את רזולוציית האנקודר ודיוקו במעקב אחר תנועות סיבוביות. זו אסטרטגיה חכמה לחלץ מידע מפורט יותר מכל סיבוב, ובכך למטב את ביצועי האנקודר ביישומים שונים.

איור 3‏: טבלת אמת גלים ריבועיים. (מקור תמונה: Same Sky)

חיבור אנקודרים להרכבה-בלוח אל מיקרו-בקרים כרוך ביצירת‏ מעגל בו המיקרו-בקר מהווה מקור זרם, המציע‏ נתיב אל +V, בעוד האנקודר מספק‏ נתיב להארקה. שיתוף-פעולה זה יוצר‏ מעגל שלם המאפשר תקשורת חלקה בין האנקודר והמיקרו-בקר. המונח "קולט פתוח" משמש גם לסרוגין עם "קולטים", מציין שהקולט‏ של טרנזיסטור היציאה הוא חיצוני ליחידה. זה הכל אודות קביעת נתיבים חשמליים יעילים עבור חילופי נתונים.

חשוב‏ גם להבחין שמיקרו-בקרים משתמשים בשיטות שונות לספירה:

1. פולסים בערוץ אחד: שיטה פשוטה זו מיחסת ספירה אחת לפולס, מפשט את תהליך הספירה עבור יישומים בהם ספירה בסיסית מספיקה.
2. פולסים בשני ערוצים: מינוף של שני הערוצים באופן יעיל מכפיל את הספירה, מציע ייצוג מפורט ומדויק‏ יותר של תנועת‏ האנקודר.
3. שינויי מצב בשני ערוצי גל ריבועי הנמצאים בהפרש מופע של 90 מעלות (quadrature state changes): בחירה בשינויי מצב אלה מפיקה תועלת מארבע ספירות למחזור, מספקת רזולוציה ודיוק אפילו גבוהים יותר במעקב אחר גל סיבובי.

מכני לעומת אופטי

בדרך כלל, אנקודרים להרכבה-בלוח עובדים תוך שימוש בשתי טכנולוגיות עיקריות: מכנית ואופטית.

אנקודרים מכניים, העובדים כמערכי מתגים, מסתמכים על‏ גלגל קוד עם מגעים מסודרים במרווחים אחידים לאורך השפה החיצונית שלו. במקביל, מגע‏ נייח מקובע לשלדת האנקודר (איור 4‏). עם סיבוב גלגל הקוד, הוא יוצר ומנתק מגע באופן רציף עם מגעי גלגל הקוד, אחד בכל פעם. חיבור וניתוק מחזורי זה במעגל יוצר פולסי מתח, מנגנון בסיסי להמרה של‏ תנועה סיבובית לאותות חשמליים.

איור 4‏: עבודה פנימית של‏ אנקודר מכני. (מקור תמונה: Same Sky)

חיוני להדגיש שאנקודרים מכניים, הפועלים למעשה כמערך של מתגים‏ מכניים, זקוקים למעגלי שיכוך-ניתור ותכנות כדי להבטיח יציאה‏ ברת-שימוש. בעוד שבעולם‏ אידיאלי מתג היה מציג מצבי הפעלה/השבתה ברורים, העולם האמיתי מכניס סיבוכים. מתגים יכולים לחוות ריחוף או ניתור בין מצבים אלה, מה שמוביל לאות מעוות. תופעת ניתורים זו, הידועה כניתורי מתג, יכולה להתפרש בשוגג כפולסים נוספים, ובכך להכניס אי-דיוקים במערכת.

כדי להקטין ניתורי מתג, מעגלי שיכוך-ניתור נכנסים לפעולה (איור 5‏). מעגלים אלה‏ מתוכננים "לרבע" את היציאה ולהבטיח שהאות מייצג את מצבי ההפעלה/השבתה בדייקנות ללא ההפרעות של תופעות הריחוף והניתור. תשומת לב זו לשלמות אות (Signal Integrity)‏ היא קריטית עבור ביצועים אמינים ומדויקים בהקשר של אנקודרים‏ מכניים.

איור 5‏: מעגלי שיכוך-ניתור מסייעים “לרבע” יציאת ‏אנקודר מכני. (מקור תמונה: Same Sky)

מצד שני, אנקודרים אופטיים מורכבים‏ משלושה רכיבים בסיסיים: מקור אור, גלאי אור וגלגל‏ קוד. להלן פירוט פעולתם:

1. מקור אור: רכיב זה פולט אור.
2. גלאי אור: ממוקם מול מקור האור, הגלאי חש את האור הנפלט.
3. גלגל קוד: ממוקם בין מקור האור והגלאי, לגלגל הקוד יש חריצים מעבירי אור במרווחים שווים. חריצים אלה גורמים למעבר אור לסרוגין.

מחזור הפעולה כרוך במקור האור הזוהר דרך החריצים בגלגל הקוד. הגלאי רושם שינויים בעוצמת אור בהתבסס על השאלה אם גלגל הקוד מאפשר או חוסם את האור. מעגלים פנימיים מגיבים על ידי אפשור או השבתת היציאה, מותנה בגילוי או בחסימה של‏ אור. מנגנון זה מאפשר לאנקודרים אופטיים לתרגם ביעילות מידע של מיקום לאותות חשמליים.

איור 6‏: עבודה פנימית של‏ אנקודר אופטי. (מקור תמונה: Same Sky)

לסיכום השוואה זו, אנקודרים מכניים הם משתלמים ורב-תכליתיים עם תחום מתחים‏ רחב. עם זאת, הם דורשים מעגלי שיכוך-ניתור עבור אות‏ אמין והם בעלי מחזור חיים‏ קצר יותר. מצד שני, אנקודרים אופטיים, באופן כללי, יקרים יותר אך מתהדרים במחזור חיים ‏ארוך יותר. הם מפיקים אות יציאה‏ נקי יותר ללא הצורך במעגלי שיכוך-ניתור. יתר על כן, ביישומים מדוייקים, אנקודרים אופטיים יכולים להציע רזולוציות גבוהות יותר.

סיכום

אנקודרים להרכבה-בלוח ימשיכו לתפוס מקום ביישומי ממשק משתמש שונים לרוחב מגוון תעשיות. הבנה מקיפה של טכנולוגיות אנקודר זמינות, מפרטים חיוניים ושיקולי תכנון הופכים להיות רבי-חשיבות עבור בחירת התקן אופטימלית. Same Sky מספקת‏ מערך של‏ אנקודרים להרכבה-בלוח מכניים כמו גם אופטיים, ובכך נותנת מענה כמעט לכל דרישת תכנון. בנוסף לאנקודרים להרכבה-בלוח שלה, אנקודרים סיבוביים AMT מבוססי-קיבוליות של Same Sky מספקים דיוק ועמידות לאורך זמן, שאינם מצויים בטכנולוגיות אנקודר אחרות.