z07_信号细分和辩向电路

1、上节课内容回顾上节课内容回顾 Q:Q:什么是振铃现象？如何抑制这种现象？什么是振铃现象？如何抑制这种现象？ A:A:振铃现象：振铃现象：若被测信号上叠加一定干扰信号，当输入信号接近若被测信号上叠加一定干扰信号，当输入信号接近 门限电平时，比较器发生误翻转和振荡的现象。门限电平时，比较器发生误翻转和振荡的现象。 克服办法：克服办法：增加一定正反馈，构成滞回比较电路。增加一定正反馈，构成滞回比较电路。 Q:Q:电压比较电路有几种结构类型，分别阐述它们的特点电压比较电路有几种结构类型，分别阐述它们的特点 及应用。及应用。 A:A:单限比较单限比较( (差动式、求和式差动式、求和式) )：单门限，单跳

2、变，如开关控制；：单门限，单跳变，如开关控制； 滞回比较：双门限，单跳变。抗干扰滞回比较：双门限，单跳变。抗干扰 窗口比较：双门限，双跳变。如窗口比较：双门限，双跳变。如“窗口窗口”检测。检测。 Q:Q:电压频率转换电路有几种结构类型？集成电压频率转换电路有几种结构类型？集成V/fV/f转换转换 器大多采用哪种结构作为基本电路结构？试阐述器大多采用哪种结构作为基本电路结构？试阐述 其工作原理。其工作原理。 A:A:有积分复原式和电荷平衡式有积分复原式和电荷平衡式V/fV/f转换电路。电荷平衡式转换电路。电荷平衡式V/fV/f 转换电路主要是基于电路中电容充、放电的电荷量相等，转换电路主要是基于

3、电路中电容充、放电的电荷量相等， 得到充放电时间与输入电压关系。得到充放电时间与输入电压关系。 Q:Q:解释书中解释书中P168P168页页“在信号转换时，为保证一定在信号转换时，为保证一定 转换精度和较大适用范围，要求转换精度和较大适用范围，要求I/VI/V转换器有低的转换器有低的 输入阻抗及输出阻抗输入阻抗及输出阻抗,V/I,V/I转换器有高的输入阻抗及转换器有高的输入阻抗及 输出阻抗。输出阻抗。” 上节课内容回顾上节课内容回顾 2021-8-1 7. 信号细分与辨向电路 QQ：为什么要细分？：为什么要细分？ 随着科学技术的发展，要求读数值越来越小，如果靠进随着科学技术的发展，要求读数值越

4、来越小，如果靠进 一步减小测量标尺刻度来减小读数值，要受到工艺等因素限一步减小测量标尺刻度来减小读数值，要受到工艺等因素限 制。要使位移信号每变化一个周期不是计一个数，而是计若制。要使位移信号每变化一个周期不是计一个数，而是计若 干数，就要采用细分技术。干数，就要采用细分技术。 举例：一个周期计举例：一个周期计4 4个数叫个数叫4 4 细分。在细分。在4 4 细分情况下，细分情况下， 栅距是栅距是4m4m的光栅，可达到的光栅，可达到1 1 mm的分辨率。的分辨率。 概念：概念：信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性周期性 的测量信号的测量信号进行

5、插值以提高仪器分辨力的一种重要方法。进行插值以提高仪器分辨力的一种重要方法。 本章电路针对信号本章电路针对信号：测控系统中应用广泛的线 位移信号和转动信号。例如来自光栅、感应同 步器、磁栅、容栅、激光干涉仪等信号的细分。 此类信号共同点：此类信号共同点：信号具有周期性，信号每变 化一个周期就对应着空间上一个固定位移量。 细分的基本原理细分的基本原理：根据周期性测量信号的波形、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插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分 辨力。辨力。 7. 信号细分与

6、辨向电路 7. 信号细分与辨向电路 亮亮 亮亮 暗暗 W 光栅测量装置 指示光栅 主光栅 光栅广泛应用于：光栅广泛应用于： 长度计量及机床数控等领域，莫尔长度计量及机床数控等领域，莫尔 条纹每移动一整个周期辨一次向，条纹每移动一整个周期辨一次向， 计一个数，计一个数， 缺点：受工艺和造价等限制缺点：受工艺和造价等限制 感应同步器 直线式感应同步器由定直线式感应同步器由定 尺和滑尺两部分组成，尺和滑尺两部分组成， 长尺为定尺，短尺为滑长尺为定尺，短尺为滑 尺。感应同步器的定尺尺。感应同步器的定尺 被安装在固定部件上被安装在固定部件上 （如机床的台座），而（如机床的台座），而 滑尺则与运动部件或被

7、滑尺则与运动部件或被 定位装置（如机床刀架）定位装置（如机床刀架） 一起沿定尺移动。一起沿定尺移动。 感应同步器 感应同步器 W W=2mm 滑尺 定尺 工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压，由于电磁耦工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压，由于电磁耦 合作用，在定尺绕组上产生感应电压。合作用，在定尺绕组上产生感应电压。 在滑尺和定尺之间发生相对位移时，由于电磁耦合的在滑尺和定尺之间发生相对位移时，由于电磁耦合的 变化，定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化。变化，定尺上感应绕组中的感应电压也发生变化。 感应电压的变化与相对位移之间有一定关系，通过测感应电压的变化与相对位移之间有一定关系，通过测 量定

8、尺绕组中的感应电压，借此进行位移量的检测。量定尺绕组中的感应电压，借此进行位移量的检测。 7. 信号细分与辨向电路 1 2 3 5 4 6 /20.3164m 激光干涉仪 什么是辨向？ 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. 7. 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 A BC DE 辨向：辨别机构的移动方向辨向：辨别机构的移动方向. 由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动， 在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向 的问题。的

9、问题。 为了辨向常需要两路信号 7. 信号细分与辨向电路 A B 向右走向右走B在在A 前面前面 向左走向左走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 细分电路分类细分电路分类 按工作原理：按工作原理： 直传式细分直传式细分 四细分辨向电路四细分辨向电路 电阻链分相细分电阻链分相细分 微型计算机细分微型计算机细分 平衡补偿式细分平衡补偿式细分 相位跟踪细分相位跟踪细分 幅值跟踪细分幅值跟踪细分 脉冲调宽型幅值跟踪细分脉冲调宽型幅值跟踪细分 频率跟踪细分频率跟踪细分 7. 信号细分与辨向电路 x

10、i x1 xo K1 K2 Km x2 x2 x1 K1、K2、 Km为各环节灵敏度为各环节灵敏度 中间环节可能是波形变换电路、比较器或中间环节可能是波形变换电路、比较器或D/A等等 总灵敏度：总灵敏度：Ks=K1K2Km 抗干扰能力差，精度低，速度快，简单。抗干扰能力差，精度低，速度快，简单。 越靠近输入端，越要做的精细越靠近输入端，越要做的精细 7. 信号细分与辨向电路 7.1 7.1 直传式细分电路直传式细分电路 直传式细分直接利用位移信号进行细分，由若干细分 环节串联而成 。 7. 信号细分与辨向电路 ( (一）四细分辨向电路一）四细分辨向电路 输入信号：输入信号：具有一定相位差（通常

11、为具有一定相位差（通常为9090 ）的两路的两路 方波信号。方波信号。 细分：细分：两路方波信号在一个周期内的两个上升沿和两路方波信号在一个周期内的两个上升沿和 两个下降沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输两个下降沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输 出出4 4个脉冲。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 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 U

12、d 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 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

13、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

14、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 7.2 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

15、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

16、向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.1 相位跟踪细分 Uj Ux /2 Uj Ux 没跟踪没跟踪Ud 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 /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

17、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 j- d减减 小至小至 / /2。第二周期又产生。第二周期又产生 ，相位差扩大为相位差扩大为( ( / /2)+)+ ， 经跟踪留下经跟踪留下( ( / /2+ )/2；第三周期又产生；第三周期又产生 ，经跟踪留下经跟踪留下 + +( ( / /2+ )/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

18、分 7.2.1 相位跟踪细分 1 11 2 22k 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 超过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 /7vfW 7. 信号细分与辨向电路 7.2 平衡补偿式细分 7.2.

19、2 幅值跟踪细分 vmdmdvmd vmjd 222 (sincoscossin)cossin()cos sin()cos xxx ek UUtk ut WWW k ut smd s i ns i nuUt cmd coss i nuUt WW = 2 m m 余弦绕组 定尺 正弦绕组 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 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

20、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 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

21、 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 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. 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 co

22、scossintanAAB 21sin( 18 ) i NNi 21cos( 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 7.2.2 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

23、 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

24、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 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 - 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 调宽脉冲波的波形分析 mm sdd 1 2 si

25、ncos 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 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

26、 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

27、7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分 2 d2 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 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 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

28、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 7.2 平衡补偿式细分 7.2.3 脉冲