第七章信号细分与辨向电路.

1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 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： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的手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段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力。辨力。概述概述武汉理工大学机电

2、工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 信号的共同特点：信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定位移量。期就对应着空间上一个固定位移量。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 电路细分原因：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法实现对位移的测量

3、，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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 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、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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号

4、细分与辨向电路信号细分与辨向电路辨向： 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要综合考虑辨向的问题。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路分类：分类： 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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向

5、电路信号细分与辨向电路xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2Ks=K1K2K3Km 第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 由于由于Ks的变化和的变化和 xj的存在会使达到相同的存在会使达到相同xo所需的所需的xi值发生变化，即值发生变化，即 使细分点的使细分点的位置发生变化。位置发生变化。 mjjjxKxKx1sisoKsj xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大

6、学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。低于平衡补偿系统。 优点：直传系统没有反馈比较过程，电路优点：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。结构简单、响应速度快，有着广泛的应用。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路典型的细

7、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 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路四细分辨向电路四细分辨向电路 输入信号：具有一定相位差输入信号：具有一定相位差(通常为通常为90 )的的两路方波信号。两路方波信号。 细分的原理：基于两路方波在一个周期内细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边具有两个上升沿和两个下降沿，通过对

8、边沿的处理实现四细分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后的关系作为判别依据 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路单稳四细分辨向电路单稳四细分辨向电路 原理：利用单稳提取两路方波信号的边原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分沿实现四细分武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第

9、七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路ABABUo1Uo2ABABUo1Uo2a) b)武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology

10、仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 HCTL-20XX系列四细分辨向电路系列四细分辨向电路 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禁止逻辑*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECR武

11、汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 主要实现对正余弦模拟信号的细分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，实现细分获得若干计数脉冲，实现细分 电阻链分相细分

12、电阻链分相细分武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路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 电阻链分相细分a) 原理图 b) 矢量图 电阻链分相细分电阻链分相细分武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University o

13、f Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= = 1= = 1= = 1= = 1= = 123= = 1= = 1= = 1UR2. 电阻链五倍电阻链五倍频细分电路频细分电路武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工

14、程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号这个电平差称为回差电压。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中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。声来回反转，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

15、可避免地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。选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路电阻链分相细分电阻链分相细分1231311131211356481098104 Esint武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表

16、电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 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。电阻链分相细电阻链分相细分分武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路原始正交信号原始正交信号u1=Asin 和和u2=Acos 作为输入作为输入 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

17、电路Asin微型计算机细分 a） 电路原理图 b） 卦限图a)b)微型计算机细分微型计算机细分 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路卦限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|武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七

18、章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路微型计算机细分微型计算机细分 优点：利用判别卦限和查表实现细分，相优点：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。序和正切表，很容易实现高的细分数。 缺点：这种细分方法由于还需要进行软件缺点：这种细分方法由于还需要进行软件查表，细分速度慢，主要用于输入信号频查表，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中。率不高或静态测量中。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuh

19、an University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路只读存储器细分只读存储器细分 只读存储器减计数锁存器周期计数器逻辑控制器AsinAcosXY细分锁存器加减信号发生 器加/#/#D0D6D7D8D9.只读存储器细分原理图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路0 128 255XY255128 模/数转换结果与对应角度的关系 )128(128128arctg)128,128(

20、23)128,128(2)128,128(128128arctg2)128,128(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 xi- xF xF比较器F Ksxo-+Nxi第二节第二节 平衡补偿式细分平衡补偿式细分 平衡式细分原理图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分

21、与辨向电路FxxK1ioF闭环系统的灵敏度武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路一、相位跟踪细分一、相位跟踪细分 1 原理原理 uj=umsin( t+ j) um、 载波信号的振幅和角频率；载波信号的振幅和角频率； j调制相移角，调制相移角， j通常与被测位移通常与被测位移x成正比，成正比， j=2 x/W，W为标尺节距为标尺节距。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路

22、仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路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移相脉冲相位跟踪细分框图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路2. 鉴相电路鉴相电路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 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan Univ

23、ersity of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)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 鉴相电路a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 UdUX&Uc Uj

24、UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUj Ud RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)有门槛的鉴相电路a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路3. 相对相位基准和移相脉冲门相对相位基准和移相脉冲门 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前移减脉冲加脉冲武汉理工大学机电工程学

25、院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路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& f0 Fx 相对相位基准与移相脉冲 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路4测量速度测量速度 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

26、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 或 (7-10)nWfVnWfV 式中，V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为标尺节距。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路VfWV2武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路四、频率跟踪细分四、频率跟踪

27、细分锁相倍频细锁相倍频细鉴相器环路滤波器压控振荡器n分频器 fifofo/nUc锁相倍频细分原理图 此系统由四个主要部件鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和n分频器组成。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 跟踪误差: 锁相倍频器对输入信号的角频率的稳定性要求相当高，它能够对输入信号相位变化进行跟踪，但它是一个有差系统，当fi发生变化后，为使fo/n能跟踪fi的变化，必须要求压控振荡器的控制电压Uc发生变化，也就是说fi与fo/n之间存在不同的相位差，这

28、就是跟踪误差。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 优点: 结构较简单，易于实现高的细分数，对信号失真度无严格要求。 缺点: 对输入信号的角频率的稳定性要求高，而且输入信号只有一个，不能辨向，主要用于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。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路 下图为

29、一单稳辨向电路，输入信号下图为一单稳辨向电路，输入信号A、B为相位差为相位差90 的方的方波信号，分析其辨向原理，并分别就波信号，分析其辨向原理，并分别就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。 DG5DG1ACARB Uo1 Uo2 &1&DG4&1DG2DG3习题7-1武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A

30、90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。 ABAUo1Uo2AB AUo1Uo2AABB武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology仪器仪表电路仪器仪表电路第七章第七章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路7-3 若测得待细分的正余弦信号某时刻值为若测得待细分的正余弦信号某时刻值为u1=2.65V, u2=-1.33V，采用微机对信号进行，采用微机对信号进行200细分，请判别其所属卦限，细分，请判别其所属卦限，并求出对应的并求出对应的 值和值和k值。值。 某时刻正弦信号值为某时刻正弦信号值为u1=2.65V, 余弦信号值为余弦信号值为 u2=-1.33V，根，根据两信号的极性（据两信号的极性（u1为为+、u2为为-）和绝对值大小（）和绝对值大小（|u1|u2|），可判别出信号在），可判别出信号在3卦限。卦限。 由于对信号进行由于对信号进行200细分，因此在一个卦限内，需实现细分，因此在一个卦限内，需实现25细细分。在分。在3卦限用卦限用|ctg |56. 233. 1sincosctg12uuAA因此对应的因此对应的 =26.65，由于，由于2