细分与辫向电路

1、 第五章第五章 细分与辫向电路细分与辫向电路20132013年年5 5月月内容内容一、细分电路的作用、类型和指标一、细分电路的作用、类型和指标二、直传式细分电路二、直传式细分电路三、平衡补偿式细分电路三、平衡补偿式细分电路一、细分电路的作用、类型和指标一、细分电路的作用、类型和指标 作用：提高仪器的分辨力作用：提高仪器的分辨力u根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。更高的分辨力。u由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，

2、在进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的问题。行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。 类型：类型：l直传式细分电路、平衡补偿式细分电路直传式细分电路、平衡补偿式细分电路l调制信号细分、非调制信号细分调制信号细分、非调制信号细分 指标：指标：l倍数倍数l精度精度l速度速度光电增量编码器原理光电增量编码器原理 转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差少缝隙每

3、转过一周就将有多少个相差9090的两相（的两相（A A、B B两路）脉冲脉冲和一个零位两路）脉冲脉冲和一个零位( (C C相相) )脉冲输出。增量编码脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率主要取决于码盘本身的精度。器的精度和分辨率主要取决于码盘本身的精度。二、直传式细分电路二、直传式细分电路1 1、直传式细分电路的原理及特点、直传式细分电路的原理及特点2 2、位置直接四倍频细分、位置直接四倍频细分 3 3、电阻链分相细分、电阻链分相细分4 4、计算机细分、计算机细分5 5、只读存储器细分、只读存储器细分1、直传式细分电路的原理及特点、直传式细分电路的原理及特点 精度低精度低 结构简单、速度快结构简

4、单、速度快 倍数较低倍数较低SIN 、COS或或90度方波度方波脉冲、模拟信号或数字信号脉冲、模拟信号或数字信号波形变换、比较器、波形变换、比较器、AD、数字电路数字电路xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2l以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；l若要读出位移为若要读出位移为0.10.1m m，要求每毫米到线要求每毫米到线1 1万条万条l直接四倍频细分法。直接四倍频细分法。 2、位置直接四倍频细分、位置直接四倍频细分 细分细分辨向辨向位置直接细分特点位置直接细分特点 由于受空间位置的限制，光电传感器的数目不由于受空间位置的限制，

5、光电传感器的数目不能太多，位置直接细分的细分倍数较小。能太多，位置直接细分的细分倍数较小。 通过位置直接细分可以得到通过位置直接细分可以得到4 4路相差路相差9090O O的方波的方波信号，可以进一步用于其它细分电路或辨向电信号，可以进一步用于其它细分电路或辨向电路。路。 单稳四细分辨向原理单稳四细分辨向原理1反向反向正向正向D触发器辨向触发器辨向 QA740210QA740210是奎克半导体是奎克半导体( (北京北京) )有限公司生产的微分型有限公司生产的微分型四倍频专用集成电路。四倍频专用集成电路。QA740210QA740210可将两路正交的方波可将两路正交的方波信号进行四倍频后产生两路

6、加、减计数信号，可送加信号进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加减计数输入双时钟可逆计数器进行加、减计数。减计数输入双时钟可逆计数器进行加、减计数。 集成四细分辨向电路集成四细分辨向电路- QA740210 - QA740210 集成四细分辨向电路集成四细分辨向电路- HP:HCTL-20XX- HP:HCTL-20XX系列系列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

7、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禁止逻辑*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECRCPLDCPLD和和FPGAFPGA实现细分和辨向功能实现细分和辨向功能 3 3、电阻链分相细分、电阻链分相细分 模拟信号的细分模拟信号的细分12sin,cosuEt uEt2101212sincosR EtR EtuRRRR22121122,arctan()omE RRRURRRsin()oomuUtsinEtsinEtcosEtcosEtcosEtsinEtsinEtcosEt u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER21

8、2RRER电阻链电阻链5 5倍频细分电路倍频细分电路异或波形异或波形电阻链细分特点电阻链细分特点 优点:具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: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用于细分数不高的场合。4 4、计算机细分、计算机细分辨向电路可逆计数器数字计算机Acos 过零比较器/#/# 显示电路Asin1 2 3 4 5 6 7 8u1u21、4、5、8卦限 12sintancosAtutAtu2、3、6、7卦限 21coscotsinAtutAtu判别卦限判别卦限查表查表整周期的计数 计算机细分特点计算机细分特点 优点：利用判别卦限和查表实现细分，优点：

9、利用判别卦限和查表实现细分，通过修改程序和正切表，很容易实现高通过修改程序和正切表，很容易实现高的细分数的细分数,但受信号质量影响。但受信号质量影响。 缺点：这种细分方法由于还需要进行软缺点：这种细分方法由于还需要进行软件查表，细分速度慢，主要用于输入信件查表，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中。号频率不高或静态测量中。三、平衡补偿式细分电路三、平衡补偿式细分电路1 1、平衡补偿式细分原理、特点、平衡补偿式细分原理、特点2 2、感应同步器介绍、感应同步器介绍3 3、相位跟踪细分电路、相位跟踪细分电路4 4、频率跟踪细分电路、频率跟踪细分电路-锁相倍频细分电路锁相倍频细分电路1 1

10、、平衡补偿式细分原理、特点、平衡补偿式细分原理、特点 带负反馈闭环系统带负反馈闭环系统 系统平衡时：系统平衡时：X X0 0=X=XF F/F K/F KF F=1/F=1/F 响应速度低、精度高稳定、细分数大响应速度低、精度高稳定、细分数大长度、角度、长度、角度、幅值、相位、幅值、相位、频率频率脉冲数脉冲数 xi- xF xF比较器F Ksxo-+Nxi 比较器门槛（分辨力）决定系统的分辨力比较器门槛（分辨力）决定系统的分辨力n 感应同步器基本原理是利用电磁耦合效应，将位移或转角转化成电信号的位置检测装置。n 感应同步器按其运动形式和结构的不同，可分为旋转式感应同步器（圆感应同步器）和直线式

11、感应同步器。圆感应同步器用来检测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；直线式感应同步器用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统等。2 2、感应同步器介绍、感应同步器介绍n 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙（0.250.05mm）。n 定尺表面制有连续平面绕组，在滑尺上制有两组分段绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组，这两段绕组和定尺上绕组的节距相等，且在空间错开1/4的节距（90O相角）。n 如果在定尺和滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合效应，在另一种绕组上就会产生相同频率的感应电动势，且随定尺与滑尺的相对位置不同

12、而变化。通过对感应电动势检测处理，便可测量出直线位移量.n 感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、寿命长、维护简单、测量范围大、成本较低等优点。广泛地应用于三坐标测量机、机床、仪器转台及测量装置等。 感应同步器不同励磁方式n A鉴相方式鉴相方式 l滑尺双相励磁滑尺双相励磁 定尺单相输出定尺单相输出 msinsuUt正弦绕组加励磁电压正弦绕组加励磁电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 sm2sincosxekUtW余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁电压 mcos cuUt定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 cm2cossinxekUtW定尺绕组总感应电动势为定尺绕组总感应电动势为

13、 smmmj22sincoscossinsin() cxxe eekUt kUt kUtWWj2 /x W感应电动势的相位角感应电动势的相位角 感应同步器不同励磁方式n A鉴相方式鉴相方式 l定尺单相励磁定尺单相励磁 滑尺输出滑尺输出 定尺加励磁电压定尺加励磁电压 正弦绕组和余弦绕组感应电动势为正弦绕组和余弦绕组感应电动势为 若移相若移相9090合成感应电动势合成感应电动势mcosuUtmjmjsincossinsinscekUtekUtmjcossincekUtmjsin()ekUt感应同步器不同励磁方式n B鉴幅方式鉴幅方式 l滑尺双相励磁滑尺双相励磁 定尺单相输出定尺单相输出 正弦绕组加

14、励磁电压正弦绕组加励磁电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 定尺绕组总感应电动势为定尺绕组总感应电动势为 sssinuUtss2sincosxekUtWcsincuUt cc2coscosxekUtW sc22cos(sincos)scxxeeekt UUWWsmdcosuUcmdsinuU， 励磁电压的电相角 mddmxd22cos(cossinsincos)cossin()xxe kUtkUtWW位移角 感应同步器不同励磁方式n C脉冲调宽鉴幅方式脉冲调宽鉴幅方式 l滑尺滑尺非对称波非对称波励磁励磁 定尺定尺

15、输出输出 正弦绕组加励磁电压正弦绕组加励磁电压 基波分量在基波分量在定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁电压 mmsdd12sincosnUUunn tnmmcdd12()sin ()cos22nUUunn tn基波分量为基波分量为 s1md(2/ )sincosuUtc1md(2/)coscosuUtxd2sin()sinmUektl滑尺滑尺对称波对称波励磁励磁 定尺定尺输出输出 mxd4sin()sinUekt电动势增大，减小了偶次谐波分量，容易滤波得到基波分量电动势增大，减小了偶次谐波分量，容易滤波得到基波分量 非对称波和对称波非对称波和对称波3 3、相

16、位跟踪细分电路、相位跟踪细分电路u相位直接细分相位直接细分u相位跟踪细分相位跟踪细分滑尺双相励磁相位跟踪细分原理框图滑尺双相励磁相位跟踪细分原理框图 =2X/WmsinsuUtmcos cuUt位移角 数字相角 反馈环节，细分环节反馈环节，细分环节 l正交方波产生电路正交方波产生电路 l鉴相电路鉴相电路n 确定偏差信号j-d是否超过门槛；n 输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号n 确定j与d的导前、滞后关系，以确定滑尺移动方向，也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c

17、)正向波形图反向波形图l有门槛鉴相电路有门槛鉴相电路正向波形图反向波形图l脉冲移相电路脉冲移相电路 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 当当 相位差小于鉴相门槛时相位差小于鉴相门槛时 , , 的频率等于感应同步器励磁信号和输出信的频率等于感应同步器励磁信号和输出信号的频率号的频率。n 当当 相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号M M有正脉冲输出，当感应同步器滑尺有正脉冲输出，当感应同步器滑尺相对于定尺正向运动时，相对于定尺正向运动时， 超前超前 ，方向信号，方向信号F F为高电平。为高电平。 的相位的相位 前移

18、，前移，跟踪跟踪 。 n 当相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号当相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号M M有正脉冲输出，当感应同步器滑尺相对有正脉冲输出，当感应同步器滑尺相对于定尺反向运动时，于定尺反向运动时， 滞后滞后 ，方向信号，方向信号F F为低电平。为低电平。 的相位的相位 滞后滞后，跟，跟踪踪 。 jddujdjddudjjddudjl跟踪速度跟踪速度-静态测量速度静态测量速度Wj=2 (f+v/w)Wd=2 f若f=2K W=2mm v34m/minn当感应同步器滑尺相对于定尺反向运动时，补偿速度快当感应同步器滑尺相对于定尺反向运动时，补偿速度快n当感应同步器滑尺相对于定尺正向运动时当感应同步器滑尺相对于定尺正向运动时 ，补偿速度慢，每次只能跟，补偿速度慢，每次只能跟 踪一半的相位差踪一半的相位差 ，当移动速度太快时可能使累计相位差超过鉴相器的鉴，当移动速度太快时可能使累计相位差超过鉴相器的鉴相范围（相范围（/2/2），丢失整个节距，产生失步现象。