第6章 信号细分与辨向电路

1、第六章第六章 信号细分与辨向电路信号细分与辨向电路n概述概述n第一节第一节 直传式细分电路直传式细分电路n第二节第二节 平衡补偿式细分电路平衡补偿式细分电路 n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n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周期就对应着空间上一个固定位移量。量。概述概述n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，若单纯对信

2、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。概述概述概述概述n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。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。概述概述分类：分类：n按工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。n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。概述概述xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2Ks=K1K2K3Km 图7-1第一节第一

3、节 直传式细分电路直传式细分电路n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，即使细分点的位值发生变化，即使细分点的位置发生变化。置发生变化。 mjjjxKxKx1sisoKsj xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km n缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。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，有着广泛的路结构简单、响应速度快，有着广泛的应用。应用。 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

4、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 四细分辨向电路四细分辨向电路n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。n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，通过对边沿的处理实现四细分沿的处理实现四细分n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 单稳四细分辨向电路单稳四细分辨向电路 n原理：利用单稳提取两路方波信号的

5、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图7-2 单稳四细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1ABABUo1Uo2ABABUo1Uo2a) b)图73 HCTL-20XX系列四细分辨向电路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-Q7Q

6、0-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CNTDECRn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 n工作原理：将正余弦信号施加在电阻链工作原理：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、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脉冲形成后，就能在正

7、余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分周期内获得若干计数脉冲，实现细分 电阻链分相细分电阻链分相细分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 电阻链分相细分电阻链分相细分图7-636o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18

8、k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-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 电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，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使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。让回差电压电平，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大于信号中的

9、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，抗干点附近因噪声来回反转，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，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。方面的因素。 电阻链分相细分电阻链分相细分1231311131211356481098104 Esint图 7.7n优点: 具有良好的动态特性,应用广泛n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

10、要用于细分数不高的场合。电阻链分相细分电阻链分相细分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/#/# 显示电路Asin图7-8 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 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|微型计算机细分微型计算机细分n优点：利用判别卦限和查表实现细分，优点：利用判别

11、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，很容易实现高的细修改程序和正切表，很容易实现高的细分数。分数。n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。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.图7-9 只读存储器细分原理

12、图 0 128 255XY255128 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(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY 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 图7-11 平衡式细分原理图 FxxK1ioF闭环系统的灵敏度一、相位跟踪细分一、相位跟踪细分 n1 原理原理 uj=umsin( t+ j) （7-9） 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

13、， 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。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. 鉴相电路鉴相电路鉴相电路要做三方面的工作：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)此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的

14、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

15、路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx 图7-16 相对相位基准与移相脉冲 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。 VfWV2 (7-11)四、频率跟踪细分四、频率跟踪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图7-29 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。n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，这就是跟踪误差。n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。n 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。 作业:7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 图图7-31为一单稳