信号细分与辨向电路ppt课件

1、第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 信号细分电路概念： 概概 述述 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。 随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分辨率越来越高，同时成本却在不断降低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨率的主要手段之一。概概 述述 信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定位移量。空间上一个固定位移量。 细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，本细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，本章内容主要针对测控系统中应用广泛的位移信号，如章内容主要针对测控系统中应用

2、广泛的位移信号，如来自光栅、磁栅、激光干涉仪等的信号细分。来自光栅、磁栅、激光干涉仪等的信号细分。 这类信号的共同特点是：这类信号的共同特点是：电路细分原因：电路细分原因： 概概 述述 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，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。细分的基本原理：细分的基本原理：概概 述述 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更高的分辨力。辨向的问题： 概概 述述 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

3、细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。细分电路的分类：细分电路的分类：概概 述述按工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。 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。第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路第二节第二节 平衡补偿式细分电路平衡补偿式细分电路 概概 述述xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x27.1 直传式细分电路直传式细分电路由若干环节串联而成。 输入量：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900的两路方波最为常见。 输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。 中间环节完成从输入到输

4、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组成。各环节依次向末端传递信息直传的意思。系统灵敏度：系统灵敏度：mjjjxKxKx1sisoKsj xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km 7.1 直传式细分电路msKKKKK.321 电路结构属于开环系统，系统总的灵敏度(也称传递函数) 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，它势必会引起系统总的灵敏度的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量 时，都会引起输出量xo的变化，此时：jx直传系统特点：直传系统特点：7.1 直传式细分电路 直传式系统信号单向传递，故越在前面的环节，

5、其输入变动量所引起的xo的变动量越大。因此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。n缺陷：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平缺陷：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。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。单、响应速度快，有着广泛的应用。 7.1 直传式细分电路典型的直传式细分电路典型的直传式细分电路7.1 直传式细分电路 四细分辨向电路 电阻链分相细分 微型计算机细分 只读存储器细分 输入信号：具有一定相位差(通常为90)的两路方波信号。 细分的原理：基

6、于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分。 辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。 7.1.1 四细分辨向电路四细分辨向电路是最为常用的细分辨向电路。单稳四细分辨向电路单稳四细分辨向电路7.1.1 四细分辨向电路 原理： 利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1图7-2 单稳四细分辨向电路 AABBABABU o1U o2a)ABABU o1U o2b) 电阻链分相细分是

7、应用很广的细分技术，主要实现对正余弦模拟信号的细分。 工作原理：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的电信号。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干计数脉冲，实现细分。 7.1.2 电阻链分相细分 设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost 。7.1.2 电阻链分相细分)/(cos)/(sin211212RRtRERRtREuo u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER212RRER)/(212221RRRREUom)/arctan(21RR 输出电压的幅值与

8、相位都与R1和R2的比值有关。 不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 123= 1= 1= 1= 1= 1= 1UR电阻链五倍频细分电路123131113121135648109

9、8104 Esint五倍频细分电路的波形优点: 具有良好的动态特性，应用广泛。缺陷: 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。7.1.2 电阻链分相细分 微型计算机具有丰富的运算和逻辑功能，它可用来完成细分，从而简化仪器电路硬件构造，增强仪器功能，提高仪器精度。7.1.3 微型计算机细分1 2 3 4 5 6 7 8u1u2b) 卦限图 两路原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入。微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现8细分。7.1.3 微型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

10、路a) 电路原理图Asin卦限u1的极性u2的极性|u1|、|u2|大小1+|u1|u2|2+|u1|u2|3+|u1|u2|4+|u1|u2|5|u1|u2|6|u1|u2|7+|u1|u2|8+|u1|u2|7.1.3 微型计算机细分 在一个卦限内，按信号绝对值比值大小，还可以再实现若干细分。7.1.3 微型计算机细分|cos|sin|tan|21uuAA或|sin|cos|cot|12uuAA1 2 3 4 5 6 7 8u1u2b) 卦限图 在1、4、5、8卦限用|tan|，在2、3、6、7卦限用|cot|。上述卦限中的|tan|或|cot|值都在0到1之间变化，因而可用00450间的

11、|tan|值来表示。这样，在计算机中固化一个表，如果每卦细分数为N，则用N个存储单元固化00450间N个正切值。两信号|u1|、|u2|的比值可按：7.1.3 微型计算机细分 例如N=25，经8细分后的每个卦限再被细分成25份，微机在此表中查询与已算得的|tan|值或|cot|值最接近的存储单元，如果该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：第1卦限，x=k第3卦限，x=50+k第5卦限，x=100+k第7卦限，x=150+k第2卦限，x=50-k第4卦限，x=100-k第6卦限，x=150-k第8卦限，x=200-k然后计算x对应的被测量，也就实现了细分。n优点：

12、 7.1.3 微型计算机细分 这种细分方法由于还需要进行软件查表，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中。)/arctan(21uu)/arctan(12uu 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 要花更多的时间；通过修改程序和正切表，很容易实现高的细分数。n缺陷： 只读存储器减计数锁存器周期计数器逻辑控制器A s i nA c o sXY细分锁存器加减信号发生 器加/#/#D0D6D7D8D9.7.1.4 只读存储器细分 只读存储器细分是微型计算机细分的发展，旨在解决微机细分中软件查表速度慢的问题，改软件查表为硬件查表。0 128 255XY

13、255128 图7-10 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(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY7.1.4 只读存储器细分7.1.4 只读存储器细分 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，随着电子工业的飞速发展，模/数转换器的速度将不断提高，只读存储器方法的细分速度可望得到进一步提高。同时由于其细分数较高，电路相对简单的特点，这种细分方法具有广泛的应用前景。7.2 平衡补偿式细分电路 平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节

14、距大的感应同步器，也用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分方法可实现高的细分数，例如2000，甚至10000。FxFxxiFoFxxKioF1 平衡补偿式细分电路的相应速度一般比直传式细分电路的低，如果测量速度过快，就会发生跟踪不上，甚至失步的问题。为保证精度，必须限制测量速度。比较器F Ksxoxi-+NxFxi-xF门槛电压不能太小平衡补偿式细分电路平衡补偿式细分电路 相位跟踪细分7.2 平衡补偿式细分电路 原理原理 7.2.1 相位跟踪细分 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。 相位跟踪细分属于平衡式细分，它的输入信号一般为相位调制信号：)sin(jmjtUu

15、Um、 载波信号的振幅和角频率；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 7.2.1 相位跟踪细分UUnUnUUnUU 鉴相电路鉴相电路7.2.1 相位跟踪细分鉴相电路要做三方面的工作： 确定偏差信号j-d是否超过门槛； 输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号 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 UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcD G1D G2UxFxUjUdUcD G1D G2UxFxb)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。 Uc7.2.1 相位跟踪细分鉴相电路 UdUX&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUj Uc UdRRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxb)UjUdUdUcDG1DG2UxFxc)有门槛的鉴相电路