张国雄版测控电路PPTChapter7-5-4

1、第七章 信号细分与辨向电路n概述n第一节 直传式细分电路n第二节 平衡补偿式细分电路 n信号细分电路概念：信号细分电路概念：信号细分电路又称插补器信号细分电路又称插补器是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力(分辨率)n信号的共同特点： 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概概 述述n电路细分原因：测量电路通常采用对信号周期进行计数的方测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量法实现对位移的测量若单纯对信号的周期进行计数若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量辨力就是一个信号周期所对应的位移量为

2、了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路路概概 述述概 述n细分的基本原理： 根据周期性测量信号的波形、振幅或者根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行相位的变化规律，在一个周期内进行插插值，值，从而获得优于一个信号周期的更高从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力的分辨力n辨向：辨向：由于位移传感器一般允许在正、反两个方向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的问题要综合考虑辨向的问题概概 述述分类：n按工作原理，可分为直传式细分和按工作原理，

3、可分为直传式细分和平衡补偿式细分平衡补偿式细分n按所处理的信号可分为调制信号细按所处理的信号可分为调制信号细分电路和非调制信号细分电路分电路和非调制信号细分电路概述p 直传式细分电路由若干环节串联而成，见图 p 输入量为xi，一般是来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为90的两路方波最为常见p 输出xo有多种形式:p有时为频率更高的脉冲或模拟信号p有时为可供计算机直接读取的数字信号 第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2Ks=K1K2K3Km p 中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等

4、组成 p 各个环节都依次向末端传递信息，这就是直传的意思 p 电路的结构属于开环系统，系统总的灵敏度(也可称传递函数)K，为各个环节灵敏度Kj( j = lm)之积： K Ks s=K=K1 1K K2 2K K3 3KKmm第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路p 由于直传系统信号单向传递，故越在前面的环节p其输入变动量所引起的输出的变动量越大p相应的前面环节引入的误差引起的输出也越大p 要保持系统的精度必须稳定各环节的灵敏度，特别是减少靠近输入端的环节的误差p 一般来说，直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统p 但由于直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，故有着广

5、泛的应用 第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路n由于Ks的变化和xj的存在会使达到相同xo所需的xi值发生变化，亦即使细分点的位置发生变化 mjjjxKxKx1sisoKsj - xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km 第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路n缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统n优点：直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，有着广泛的应用 第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路n典型的细分电路典型的细分电路 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 只读存储器细分只读存储器细分 第一

6、节第一节 直传式细分电路直传式细分电路一、四细分辨向电路一、四细分辨向电路n输入信号：输入信号：具有一定相位差具有一定相位差(通常为通常为90 )的两路方波信号的两路方波信号n细分的原理：细分的原理：基于基于2路方波在一个周期内具有路方波在一个周期内具有2个上升沿和个上升沿和2个个下降沿，通过对边沿的处理下降沿，通过对边沿的处理(识别识别4个边沿个边沿)实现实现4细分细分n辨向：辨向：根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作为判别依据，得到方向信号为判别依据，得到方向信号 一、单稳四细分辨向电路一、单稳四细分辨向电路 n原理：原理：利用单稳提取两路方波信

7、号的边沿实现利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分四细分图7-2 单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1正向AB图7-2 单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1正向ABX1010011000001010XXXXXXX00X010位置位置011图7-2

8、 单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1正向ABX1001100000101001XXXXXXX位置位置1101图7-2 单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1反向0101001011100001000000001分析此位置分析此位置ABABUo1Uo

9、2ABABUo1Uo2a) b)图73一个一个周期中的周期中的四个跳变沿四个跳变沿一个一个周期中的周期中的四个跳变沿四个跳变沿Uo2始终为始终为1Uo1始终为始终为1l当当A发生正跳变时发生正跳变时，由非门由非门DG1、电阻、电阻R1、电容、电容C1和与门和与门DG3组成的单稳组成的单稳触发器输出窄脉冲信号触发器输出窄脉冲信号A，此时，此时/B为高电平，与或非门为高电平，与或非门DG5 有计数脉冲输出有计数脉冲输出;由于由于B为低电平，与或非门为低电平，与或非门DG10无计数脉冲输出无计数脉冲输出l当当B发生正跳变时，发生正跳变时，由非门由非门DG6、电阻、电阻R3、电容、电容C3和与门和与门

10、DG8组成的单稳组成的单稳触发器输出窄脉冲信号触发器输出窄脉冲信号B，此时，此时A为高电平，为高电平，DG5有计有计数脉冲输出，数脉冲输出， DG10仍无计数脉冲输出仍无计数脉冲输出l当当A发生负跳变时，发生负跳变时，由非门由非门DG2、电阻、电阻R2、电容、电容C2和与门和与门DG4组成的单稳组成的单稳触发器输出窄脉冲信号触发器输出窄脉冲信号/A，此时，此时B为高电平，与或非门为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，有计数脉冲输出， DG10无计数脉冲输出无计数脉冲输出l当当B发生负跳变时，发生负跳变时，由非门由非门DG5、电阻、电阻R4、电容、电容C4和与和与 DG9组成的单稳触组成的单稳

11、触发器输出窄脉冲信号发器输出窄脉冲信号/B，此时，此时/A为高电平，为高电平，DG5有计有计数脉冲输数脉冲输 出，出， DG10无计数脉冲输出无计数脉冲输出在正向运动时，在正向运动时，DG5DG5在一个信号周期内依次输出在一个信号周期内依次输出AA、BB、/A/A、/B/B四个计数脉冲，实现了四细分四个计数脉冲，实现了四细分n同样的方法可以分析在传感器反向运动时，同样的方法可以分析在传感器反向运动时，DG5无脉冲输无脉冲输出，出，DG10有四个脉冲输出。同样实现了四细分有四个脉冲输出。同样实现了四细分nDG5、DG10随运动方向的改变交替输出脉冲，随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号输出信号

12、Uo1、Uo2可直接送入可逆计数器计数，可直接送入可逆计数器计数，实现辨向计数实现辨向计数n典型可逆计数器如典型可逆计数器如74LS194 HCTL-20XX系列四细分辨向电路 图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图 CLKCK 数字滤波器施密特触发器CH ACH B计数脉冲计数方向计数脉冲计数方向Q0-Q11,15 四细分辨向电路 12/16位可逆计数器Q0-Q7Q0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位 锁存器B0-B7A0-A7 SEL OE888D0-D7细分脉冲计数方向级联脉冲 U/D CNTCASHCTL-2020具有的功能多路切换器三态缓冲器SELOE禁止

13、逻辑*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECRHCTL-20XX系列是HP公司生产的细分辨向电路 包括HCTL-2000、HCTL-2016和HCTL-2020三种功能相近的芯片，具备四细分和辨向功能将可逆计数器设计在芯片上具有抗干扰设计，芯片的集成度高，可大大简化外围电路的设计 CLK为芯片外接工作时钟，经施密特触发器改善波形后成为CK,用作芯片内部的时钟计数器为12位(HCTL-2000)16位(HCTL-2016/2020）n 传感器的两方波信号输入端传感器的两方波信号输入端CHACHA、CHB CHB 为了提高芯片的抗干扰能力，输入信号首先为了提高芯片的抗干扰能力，输入信号首先

14、经过施密特触发器和数字滤波器的预处理经过施密特触发器和数字滤波器的预处理预处处理后的信号经四细分辨向电路产生一预处处理后的信号经四细分辨向电路产生一路计数脉冲和一路方向控制信号，它们被送路计数脉冲和一路方向控制信号，它们被送入内部可逆计数器入内部可逆计数器计数值通常在计数值通常在CLKCLK的上升沿被锁存到后面的的上升沿被锁存到后面的锁存器，锁存数据同样为锁存器，锁存数据同样为1212位或者位或者1616位位为了能够与常用的8位数据总线按口，12位或者16位锁存数据又经过一多 切换器转换为高、低两个8位字节，由SEL端控制分时输出 切换器具有三态输出缓冲机构，可以直接挂在外部数据总线上，由OE

15、控制数据的读取 为了防止在读取高、低字节的间隙锁存器内密发生变化，以免读取的高、低字节互不对应，芯片设有一禁止逻辑当读取高字节时，启动禁止逻辑，使锁存器数值保持不变但这并不影响计数器的计数，直到读取低字节后，禁止逻辑才得以解除，锁存器恢复正常锁存n主要实现对正余弦模拟信号主要实现对正余弦模拟信号(相差相差90度度)的细分的细分 n工作原理：工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端将正余弦信号施加在电阻链两端在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同的电信号的电信号这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内获得若

16、干计数脉冲，实弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分现细分 二、电阻链分相细分二、电阻链分相细分1. 原理原理 u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER212RRER设电阻链由电阻设电阻链由电阻R1和和R2串联而成，电阻链两端加有串联而成，电阻链两端加有交流电压交流电压u1、u2，其中，其中，u1=Esin t，u2=Ecos t 图7-5 电阻链分相细分a) 原理图 b) 矢量图 一般总结：一般总结：l输入的正余弦信号经电阻链运算电路线性叠加后，输入的正余弦信号经电阻链运算电路线性叠加后，得到一相位移为得到一相位移为 的输出信号的输出信号 l改变改变R1R1和和R2R2的比

17、值，可获得具有不同相位的输出的比值，可获得具有不同相位的输出信号。同时也改变了输出电压幅值信号。同时也改变了输出电压幅值Uom Uom l相位移只能在相位移只能在0 09090范围内变化范围内变化 为获得为获得0 0360360范围内的移相信号，可采用图所范围内的移相信号，可采用图所示电阻移相电路示电阻移相电路-36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-

18、+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= = 1= = 1= = 1= = 1= = 123= = 1= = 1= = 1UR2. 2. 电阻链五倍频细电阻链五倍频细分电路分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三部分组成。电阻移络在第一、二象限内给出的移相角分别为0、18、36、54、72、90、108、126、144、162 的10路移相信号。移相电阻的取值满足上面的角度关系式。并尽可能兼顾到电阻系列的际称阻值，实际取值分别为：l8k、24k、33k、和56k四种。电压比较器将10路移相信号与参考电平UR相比较，将正弦信号转化为方波信号。电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，从比较器得到

19、的10路方波信号再经过异或门逻辑组合电路，在3和4端获得两路相位差为90的五倍频方波信号，逻辑电路的工作波形见图 施密特触发电路上升沿和下降沿的触发点具有不间的触发电平，这个电平差称为叫回差电压(滞回电压)让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回翻转回差电压越大，抗干扰能力越强，但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素电阻链分相细分电阻链分相细分1231311131211356481098104 Esintn优点优点具有良好的动态特性具有良好的动态特性, 应用广泛应用广泛n缺点缺点细分数越高

20、所需的元器件数目也成比例地增细分数越高所需的元器件数目也成比例地增加，使电路变得复杂，因此电阻链细分主要加，使电路变得复杂，因此电阻链细分主要用于细分数不高的场合用于细分数不高的场合n电阻链电阻链5细分细分专用集成电路专用集成电路C5192，C5193二、电阻链分相细分二、电阻链分相细分原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入 1 2 3 4 5 6 7 8u1u2辨向电路可逆计数器数字计算机Acos 过零比较器/#/# 显示电路Asina） 电路原理图 b） 卦限图三、三、微微型计算机量化细分型计算机量化细分 p原理：原理：两路原始正交输入信号：两路原始正交输入信号： 一方面经比较

21、器变为方波、送入辨向计数电路，一方面经比较器变为方波、送入辨向计数电路，实现对信号整周期的计数实现对信号整周期的计数 另一方面，分别经各自的模另一方面，分别经各自的模/ /数转换器将模拟量数转换器将模拟量变为数字量，再由接口电路进入微机进行细分变为数字量，再由接口电路进入微机进行细分( (周期内细分周期内细分) ) 微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现现8 8细分细分卦限卦限u1的极性的极性u2的极性的极性|u1|、|u2|大小大小1+|u1| |u2|3+-|u1| |u2|4+-|u1| |u2|5-|u1| |u2|7-+|u1| |u2

22、|8-+|u1| |u2|把一个信号分为把一个信号分为8个个区间，或称卦限，每区间，或称卦限，每卦卦458个卦限中两信号的个卦限中两信号的极性和绝对值大小极性和绝对值大小: 三、微型计算机量化细分三、微型计算机量化细分n微机按上表的内容就可判别信号所在的封限，微机按上表的内容就可判别信号所在的封限，也就实现了也就实现了8细分细分n在一个卦限内，按信号绝对值比值大小可再实在一个卦限内，按信号绝对值比值大小可再实现若干细分现若干细分再细分再细分n在1、4、5、8卦限用|tg|，|u1|u2|n上述卦限中的|tg|值或|ctg|值都在两信号两信号|u1|、|u2|比值：比值：再细分再细分n因而可用0

23、-45间的|tg|值或|ctg|值来表示 n这样，可计算机中固化一个表n如果每卦细分数为N(本例N=25)，则用N个存储单元固化0-45间N个正切值 再细分再细分n如果某存储单元是正切表的第k个单元，则相位角对应的细分数x， 由下列公式决定: n第第1卦限：卦限：x=kn第第2卦限：卦限：x=50-kn第第3卦限：卦限：x=50+kn第第4卦限：卦限：x=100-kn第第5卦限：卦限：x=100+kn第第6卦限：卦限：x=150-kn第第7卦限：卦限：x=150+kn第第8卦限：卦限：x=200-k再细分再细分n然后计算x对应的被测量，也就实现了细分微型计算机量化细分微型计算机量化细分优点：优

24、点：n利用判别卦限和查表实现细分，相对来说减少了计算机运算时间，若直接算反函数或，要化更多的时间；通过修改程序和正切表，很容易实现高的细分数缺点：缺点：n由于还需要进行软件查表，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中四、只四、只读存储器细分读存储器细分 只读存储器减计数锁存器周期计数器逻辑控制器AsinAcosYX细分锁存器加减信号发生 器加/#/#D0D6D7D8D9.只读存储器细分原理图 四、只四、只读存储器细分读存储器细分 l两路相位差为90的正、余弦模拟信号u1=Asin、u2=Acos分别送入两个模/数转换器l模/数转换器一般采用8位高速型模/数转换器，即能以超过每秒105

25、次的转换速度工作，保障具有较好地连续处理模拟信号的能力l经模/数转换器后，两路模拟信号被转换成对应的二进制数字信号X和Y，数值在0-255之间变化，其中，值128对应着输入信号的零电平。X、Y与角度的关系如图所示 0 128 255XY255128 图 模/数转换结果与对应角度的关系 )128(128128arctg)128,128(23)128,128(2)128,128(128128arctg2)128,128(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY 可以由下式求得：四、只四、只读存储器细分读存储器细分 lX和Y的字长均为8位，分别接在只读存储器的高8位和低8位地址线上l只读

26、存储器具有216个字节存储单元，16位地址线作为输入，一个8位数据口作为输出lX、Y的每一个组合都对应着只读存储器的一个16位地址，l在不同地址的内存单元上，固化着0-255的每一个二进制数字信号值，固化值为X、Y对应的值再乘以256/(2)，经取整后得到的整数值l当地址选通时，只读存储器的固化内容就会出现在它的输出口上l输入信号u1、u2正向(或者反向)变化一个周期，输出口的数据也会从0变到255(或者255变到0)变化一个周期。这样就实现了对u1、u2周期的256细分l只读存储器结果通过细分锁存器输出四、只四、只读存储器细分读存储器细分 l整周期的计数是通过对细分锁存器最高两位D6、D7的

27、处理实现的l当信号值从255增加时，两个最高位从11变换为00。反之，当信号从0开始减少时，这两位从00变为11l每一次这样的转换都经加减信号发生器，产生加计数或者减计数脉冲，使周期计数器进行相应的计数l计数值在逻辑控制器的控制下被送到计数锁存器l细分锁存器每变化256个数，就会引起计数锁存器变化1个数这种设计使它们的二进制输出能直接地串成总值，而无需进行变换运算逻辑控制器的作用是协调各个器件的运行时间和次序四、只四、只读存储器细分读存储器细分 l每一个周期从启动模/数转换器开始，待转换完毕选通只读存储器，紧接着启动细分锁存器，待加减计数器完成更新后，同时启动两个锁存器，细分数据和周期计数值同

28、时出现在输出口上，完成一个周期。然后再启动模/数转换器，如此周而复始输出数值信号l在一个周期中，通常大部分时间用于等待模/数转换，虽然采用高速模/数转换器，但目前受器件的限制，一般也需要lus左右才能完成一次转换，而其它操作仅需几十个纳秒左右即可完成l总起来说，只读存储器细分速度较快，可满足几十千赫兹到上百千赫兹信号细分的要求l电路细分数较高，简单，具有广泛的应用前景end xi- xF xF比较器F Ksxo-+Nxi第二节 平衡补偿式细分 图7-11 平衡式细分原理图 FxxK1ioF闭环系统的灵敏度一、相位跟踪细分 n1 原理 uj=umsin(t+j) （7-9） um、 载波信号的振

29、幅和角频率； j调制相移角，j通常与被测位移x成正比，j=2x/W，W为标尺节距鉴相电路移位脉冲门 相对相位基准分频器显示电路放大整形umsin(t+j)dj-d移相脉冲图712相位跟踪细分框图 2. 鉴相电路鉴相电路要做三方面的工作：鉴相电路要做三方面的工作：n 确定偏差信号确定偏差信号 j- d是否超过门槛；是否超过门槛；n 输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号n确定确定 j与与 d的导前、滞后关系，以确定滑尺移的导前、滞后关系，以确定滑尺移动方向，也就是辨向动方向，也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FX

30、FXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题 图13鉴相电路a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUj Ud RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)图7-14 有门槛的鉴相电路a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图 3. 相对相位基准和移相脉冲门 图7-15 加减脉冲改变d 原理图 a) 时钟脉冲b) 正常分频c) 减脉冲d) 使d延后e) 加脉冲f) 使d前移减脉冲加脉冲n/4分频器二分频器 Uxn/2分频器相对相位基准移相脉冲门 Uc Ms去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC&am