07_信号细分和辩向电路

1、测量与控制电路 测控电路 测量与控制电路 2 7. 信号细分与辨向电路 为什么要细分？ 提高分辨力 信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周 期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种 方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的 波形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进 行插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨 力。 高分辨力是高精度的必要条件。 7. 信号细分与辨向电路 1 2 3 5 4 6 /20.3164m 激光干涉仪 7. 信号细分与辨向电路 亮亮 亮亮 暗暗 W 20mW 光栅测量装置 指示光栅 主光栅 受工艺和造价等限制 7. 信号细分与辨向电路 感应同步器 W W

2、=2mm 滑尺 定尺 受工艺和允许电流限制 需要读出一个周期内的移动量:细分 n什么是辨向？ 辨向：辨别机构的移动方向 由A前进至C与由A后退至B信号变化情况相同 由E前进与由D后退信号变化情况相同 难以根据单一信号辨向 7. 信号细分与辨向电路 A B C D E n为了辨向常需要两路信号 7. 信号细分与辨向电路 A B 前进前进B在在A 前面前面 后退后退A在在B 前面前面 t t u u 7. 信号细分与辨向电路 无法根据两路相位差 或 的信号辨向， 相位差 的两路信号最可靠。90 0 180 测量与控制电路 9 7.1 直传式细分电路 7. 信号细分与辨向电路 直传式细分直接利用位移

3、信号进行细分，称其为 直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因 为它可以由若干细分环节串联而成 系统总的灵敏度Ks为各个环节灵敏度Kj (j=1m)之积， 如果个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必引起系统总的 灵敏度的变化。 x i x1 xo K1 K2 Km Dx 1 x2 7. 信号细分与辨向电路 7.1 直传式细分电路 (一）四细分辨向电路 细分：利用两路相位差90 的信号的4个跳变沿，利 用单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。 R (2)根据j与d的导前、滞后，确定滑 尺移动方向，输出Fx或Fx 问题：没有迟滞，会来回振荡问题：没有迟滞，会来回振荡 7. 信号细分与辨向电路

4、7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 Ud Ux & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uc Uj DG2 DG3 DG4 DG5Fx Fx Uj Ud R R C C Uj Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx Uj Ud Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx (二）鉴相电路 引入迟滞，只有引入迟滞，只有 j- d信号信号 延续一定时段才有输出延续一定时段才有输出 利用Uj 和Ud的延时信号 Uj 、Ud ，只有当Uj与Ud的相位差 超过一定时限才有脉宽信号Ux输出 umsin( t+ j) d j- d 移相脉冲移相脉冲 鉴相电路鉴相电路 放大放大 整形整形

5、移位脉冲门移位脉冲门 显示电路显示电路 相对相位基准相对相位基准 分频器分频器 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 (二）相对相位基准和移相脉冲门 a) 时钟脉冲时钟脉冲 b) 正常分频正常分频 c) 减脉冲减脉冲 d) 使使 d延后延后 e) 加脉冲加脉冲 f) 使使 d前移前移 减脉冲减脉冲 加脉冲加脉冲 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 (二）相对相位基准和移相脉冲门 Ux=0: DF正常二分频正常二分频 Ux=1: DF不工作，输

6、出不工作，输出1 Fx=0: DG2关闭，减脉冲关闭，减脉冲 Fx=1: DG2开启，脉冲数加倍开启，脉冲数加倍 Ux n/2分频器分频器 相对相位基准相对相位基准 移相脉冲门移相脉冲门 Ms 去数显电路去数显电路 DFDG1 DG3 DG2 Ux Ud & & S R D C & f0 Fx Uc 二分频器二分频器 n/4分频器分频器 去鉴相器去鉴相器 Ud Ux & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uc Uj DG2 DG3 DG4 DG5Fx Fx Uj Ud R R C C 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 7. 信号细分与辨向电路

7、7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 (三）测量速度 由于在一个载波周期仅有一次比相，动态测量时 （指在部件移动过程中就要读出它的位移），为 使测量速度引起的误差不超过一个细分脉冲当量， 就要求在一个载波周期内相位角的变化不超过一 个细分脉冲当量，即 n W f v n Wf v 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 (三）测量速度 静态测量时（指移动部件停止运动后才读数），尽管 在传感器位移时会发生超过一个脉冲当量的误差，但 是，一旦传感器在测量位置停下，经过一段时间，就 能读得合乎精度要求的测量数据。传感器反向运动时， Ud 超前于Uj，相

8、对相位基准停止进脉冲，d-j多大， Ux脉宽就多宽，使相对相位基准少进相应的脉冲数， 使Ud后延，直到达到d=j。故反向运动时系统有很强 的跟踪能力。 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 Uj Ux D D D D /2 Uj Ux 没跟踪没跟踪Ud D D 无脉冲进入，等待无脉冲进入，等待 跟踪后跟踪后Ud 与与Uj同时翻转同时翻转 跟踪后跟踪后Ud 加倍进脉冲加倍进脉冲 停止进脉冲，仍落后停止进脉冲，仍落后D D /2 Uj滞后滞后 Uj超前超前 没跟踪没跟踪Ud Ux n/2分频器分频器 相对相位基准相对相位基准 移相脉冲门移相脉冲门 Ms 去数显

9、电路去数显电路 DFDG1 DG3 DG2 Ux Ud & & S R D C & f0 Fx Uc 二分频器二分频器 n/4分频器分频器 去鉴相器去鉴相器 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 ( (三）测量速度三）测量速度 正向运动时正向运动时Ud滞后于滞后于Uj，在，在Ux=1期间以加倍的速度进脉冲，期间以加倍的速度进脉冲， 只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使D D j- d减减 小至小至D D / /2。第二周期又产生。第二周期又产生D D ，相位差扩大为相位差扩大为( (D D / /2)+)+D

10、 D ， 经跟踪留下经跟踪留下( (D D / /2+D D )/2；第三周期又产生；第三周期又产生D D ，经跟踪留下经跟踪留下 D D + +( (D D / /2+D D )/2；最终相位差扩大为；最终相位差扩大为 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 1 11 2 22k DD D D Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 本鉴相器根据相位差输出落在本鉴相器根据相位差输出落在Uc的高电平还是低电平辨向，鉴相范围为的高电平还是低电平辨向，鉴相范围为 /2 D D 超过

11、鉴相器的鉴相范围超过鉴相器的鉴相范围 /2就要将就要将Uj超前误判为滞后，从而丢失整个节距，超前误判为滞后，从而丢失整个节距， 即失步。为此要求即失步。为此要求 22 2/ (/)4 vv vT W fv W WfWv D /7vfW 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 vmdmdvmd vmjd 222 (sincoscossin)cossin()cos sin()cos xxx ek UUtk ut WWW k ut smd sinsinuUt cmd cossinuUt W W=2mm 余弦绕组 定尺 正弦绕组 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平

12、衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 鉴幅辨鉴幅辨 控制电路控制电路 显示电路显示电路 切换切换 计数器计数器 函数函数 发生器发生器 j d e e 调幅脉冲调幅脉冲 向电路向电路 放大滤放大滤 波电路波电路 感应感应 同步器同步器 vmjd sin()cosek ut e超出门槛电平就改变超出门槛电平就改变d，使减小，使减小， d跟踪跟踪j的变化的变化 感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 n为了实现n细分，变压器需要n个抽头。为减少抽头简化 供电方式。采用变形正余弦激

13、磁电压后后半周期，输出 信号e变号，需要在辨向中注意。 vmjd sin()cosek ut 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 0 0 180 180 360 360 d/() d/() usuc uc us c)变形正弦 a)正弦信号 0 0 180 180360 360 d/() d/() b)余弦信号 d)变形余弦 vmjd sin()cosek ut 前半周期前半周期 后半周期后半周期 n为进一步减少抽头，把180先按=18等分为10份， 再把18按=1.8等分为10份，令dAB d coscos()cos(cossintan)ABBAAB 7

14、. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 d sinsin()cos(sincostan)ABBAAB 因为B=(09)1.8=016.2，cosB=10.963。 正余弦励磁电压同时增大不影响平衡位置 d sinsincostanAAB d coscossintanAAB 21sin( 18 ) i NNi 21 cos(18 ) i NNi 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 正余弦变压器正余弦变压器 21 tan(1.8 ) i NNi 正切变压器正切变压器 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.

15、2 幅值跟踪细分 mmmd sincostansinsinsinsin SOSDDO uuuUtABUtAUt mmmd sinsintansincoscossin COCEEO uuuUtABUtAUt 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 DG1 DG2 Wx M+ Fx Cy S R D C = 1= 1 & S R D C DF1 DF2 Q2 Q1 D2 M- vmjdd vmjdd sin()cos(0) sin()cos(2) k ut e k ut 前后节距利用切换计数器的正反溢出脉冲辨别 D2=Q1Wx cos t为最大时发出的采样脉冲为

16、最大时发出的采样脉冲 前节距，前节距， 后节距，后节距， 12x 1,QDW 12x 0,QDW e经倒相整形后的信号经倒相整形后的信号 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.2 幅值跟踪细分 b) 反向运动波形 e O t e O t O t D2 O t Cy O t Wx O Wx t Q1 O t O Q1 t D2 O t O Fx t O t Cy Fx O t a) 正向运动波形 n调宽脉冲波的波形分析 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 a) 非对称波b) 对称波 Um us us Um uc Um -2 -

17、 2 -t 0 uc Um 02-2 t 0-d -2 - 2 t d0-d -2 - 2 t d d 2 d 2 ) 2 ( d ) 2 ( d 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 n调宽脉冲波的波形分析 mm sdd 1 2 sincos n UU unn t n (1)非对称波 mm cdd 1 2 ()sin ()cos 22 n UU unn t n 基波分量 tUucossin)/2( dm1s tUucoscos)/2( dm1c us1、uc1在定尺上感应的电动势 t U ke m sin)sin( 2 djv 7. 信号细分与

18、辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 n调宽脉冲波的波形分析 对称波 mmmm sdddd 11 22 sincos sincos () nn UUUU unn tnnt nn n为偶数时， us=0 1 d m s cossin 4 n tnn n U u 1 d m c cos) 2 (sin 4 n tnn n U u n为奇数时, 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 移相脉冲移相脉冲Md 计数脉冲计数脉冲Ms 鉴幅辨鉴幅辨 控制电路控制电路 放大滤放大滤 感应感应 同步器同步器 显示电路显示电路 数字函数

19、数字函数 发生器发生器 e j j d 波电路波电路向电路向电路 t U kesin)sin( 4 dj m v tUucossin)/4( dm1s us1、uc1在定尺上感应的电动势 基波分量 tUucoscos)/4( dm1c 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 2 d2 d D D d a）对称展宽）对称展宽 b）非对称展宽）非对称展宽 D D d D D dD D d D D d D D d 多进脉冲多进脉冲 提前翻转提前翻转 少进脉冲少进脉冲 延后翻转延后翻转 少进脉冲少进脉冲 延后翻转延后翻转 多进脉冲多进脉冲 提前翻转提前翻转

20、 多进脉冲多进脉冲 提前翻转提前翻转 少进脉冲少进脉冲 延后翻转延后翻转 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 a) 电路图电路图 DF3 DG2 Fx 1J R 1K C1 1J R 1K C1 1J R 1K C1 1J R 1K C1 =1=1 =1=1 n/8分频器分频器 二分频器二分频器 二分频器二分频器 n/8分频器分频器 Md Md f0 Fx Q1 Q2 Q3 Q4 UA UB U12 U1 U2 U22 DF1 DF2 DF4 DG1 e未超门槛，未超门槛，Md=0, DF2、DF4四分频四分频 UA=UB=Q4 e超出门槛超出

21、门槛, Md=1 DF2、DF4停翻停翻 如如Fx=1, 来一个来一个Md， Q1改变一次状态改变一次状态,UA 提前发生变化，提前发生变化， Q3 不变，不变，UB滞后滞后 如如Fx=0, 来一个来一个Md， Q3改变一次状态改变一次状态,UB 提前发生变化，提前发生变化， Q1 不变，不变，UA滞后滞后 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 b) 波形图波形图 Md Q1 Q2 Q4 UA f0 二分频二分频 四分频四分频 UB T0 Fx=1 Q3=0 Q2少翻少翻 Q4少翻少翻 UA提前翻提前翻 UB延迟翻延迟翻 7. 信号细分与辨向电路

22、 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 a）电路图）电路图 DG3 U22 Us Uc =1=1 & 1 1 =1=1 & DG4 DG1 DG5 DG2 U1 U12 U2 U1 U2 A d d 2 d d 2 2 d 非对称脉宽组合电路非对称脉宽组合电路 U1 U12 U1 U2 U22 U2 Us Uc 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 U1 D2 D2 D1 Us U2 b) 余弦励磁电路图余弦励磁电路图 U1 U2 + Uc DG3 DG4 1 1 & a） 正弦励磁电路图正弦励磁电路图 + Us U1 DG

23、1 DG2 U2 1 1 & D1 正与门正与门 负与门负与门 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 频率跟踪细分锁相倍频细分 fifo fo/n Uc 鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器 n分频器分频器 压控振荡器压控振荡器 优点:结构较简单，细分数高的，对信号失真度无严格要求。 缺点:为有差系统，对输入信号的角频率的稳定性要求高， 不能辨向。 主要用于电气倍频和回转部件的角度与传动比等的测量，这 时比较容易保持fi接近恒定。 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 频率跟踪细分锁相倍频细分 相位比较器相位比较器压控振荡器压控振荡器 n分频器分频器

24、 R2 fo fi R1 C1 CC4046 R3 C2 思考题与习题思考题与习题 n7-1 n7-3 n7-5 图图7-31为一单稳辨向电路，输入信号为一单稳辨向电路，输入信号A、B为相为相 位差位差90 的方波信号，分析其辨向原理，并分的方波信号，分析其辨向原理，并分 别就别就A导前导前B 90 、B导前导前A 90 的情况，画出的情况，画出A 、 Uo1、Uo2的波形的波形。 DG5 DG1 A C A R B Uo1 Uo2 & 1 & DG4 & 1 DG2 DG3 习题7-1 当当A导前导前B 90 时，时，Uo1有输出，有输出，Uo2无输出，当无输出，当 B导前导前A 90 时，

25、时，Uo1无输出，无输出，Uo2有输出，实现有输出，实现 辨向。辨向。 A B A Uo1 Uo2 A B A Uo1 Uo2 A A B B 7-2参照图参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设电阻链五倍频细分电路的原理，设 计一电阻链二倍频细分电路。计一电阻链二倍频细分电路。 该电阻链二倍频细分电路如图该电阻链二倍频细分电路如图X7-2所示，其输出所示，其输出A、 B为相位差为相位差90的二路信号，它们的频率是输入信的二路信号，它们的频率是输入信 号频率的二倍。号频率的二倍。 45o 0o 135o 1 3 A 2 4 B 18k 18k 18k 12k 18k 12k Esint Ecost -Esint - - + + + + N