第七章 细分电路

第七章信号细分与辨向电路§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§7.2平衡补偿式细分相位跟踪细分幅值跟踪细分脉冲调宽型幅值跟踪细分频率跟踪细分——锁相倍频细分功能提高分辨力对周期性测量信号进行插值识别运动方向识别测量信号的相位信号细分电路概念：信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力。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。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。概述细分的基本原理输入信号来自光栅、感应同步器、磁栅等传感器具有周期性信号每变化一个周期对应着空间上的一个固定的位移量原理利用周期性测量信号的波形、幅度或相位变化规律，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分辨力利用周期性测量信号的相位关系可以实现方向识别(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。)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。第一节直接式细分电路由若干环节串联而成输入来自（位移）传感器，多为一对SIN、COS信号或相移为90°的方波信号输出频率更高的脉冲信号或模拟信号数字信号灵敏度（传递函数）

——越靠前的环节对输出的影响越大K1K2

xix1△x1x2Kmxo直接式细分原理图开环系统结构简单、响应快抗干扰能力差、精度较低Ksj:xo对⊿xj的灵敏度Ks=K1K2K3…Km缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。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。典型的细分电路☆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

一、四细分辨向电路最常用的细分辩向电路原理输入信号具有一定相位差的两路方波信号在一个周期内有2个上升沿和2个下降沿通过对输入信号的2个上升沿和2个下降沿的处理实现细分根据两路方波信号的相对导前和滞后关系辨别方向（一）单稳四细分辨向电路利用单稳电路提取两路方波信号的边沿实现四细分四细分&&&&≥1&&&&≥1&&11&11&ABDG1DG6DG3R1C1R2C2DG4DG2R3R4C4DG9DG8Ā′B′′Ā′BA′A′BB′B′BBA′AAA′ĀĀB′B′UO1UO2单稳四细分辨向电路DG7DG5DG104、B负跳变3、B正跳变2、A负跳变1、A正跳变当A发生正跳变时，由非门DG1、电阻R1、电容C1和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A’，此时为高电平，与或门DG5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或门DG10无计数脉冲输出单稳四细分辩向电路波形反向运动正向运动图7－3四细分四细分禁止逻辑计数脉冲计数方向计数脉冲计数方向D0~D11（15）Q0~Q7Q8~Q11（15）D0~D11（15）INHB0~B7A0~A7*SELOE数字滤波器施密特触发器四细分向电路辨12/16位可逆计数器12/16位锁存器多路切换器三态缓冲器级联脉冲计数方向细分脉冲CNTDECRU/DCNTCASD0~D7888CLKCK*HCTL－2000中A4~A7接地CHACHBSELOEHCTL－2020具有的功能（二）HCTL－20XX系列四细分辨向电路(原理图）二、电阻链分相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1、原理输入信号SIN、COS信号将SIN、COS信号施加在电阻链两端在电阻链接点上得到不同相位与幅度的信号整形在输入信号的一个周期中得到若干计数脉冲信号u2u1R2R1uou2u1R2R1uo

a）原理图φu2uou1

b）矢量图改变u1、u2可以得到第2、3、4象限的输出信号

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=Esin

t，u2=Ecos

t

改变R1、R2可以改变φ和Uom2、电阻链五倍细分电路组成电阻移相网络给出10路移相信号比较器将正弦信号转换为方波信号一般采用施密特触发电路的形式逻辑电路得到2路相位差90°的5倍频方波信号异或门组合电路串联式并联式

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。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。三、微型计算机细分原理输入信号SIN、COS信号模/数转换微机判断两路信号的大小和极性，实现细分卦限：45°相位区间辨向电路可逆计数器数字计算机显示电路∩/#AsinθAcosθ∩/#过零比较器电路原理图根据各卦限内两路信号的关系（极性和大小）可以实现8细分在每一卦限内，根据两路信号的绝对值的比值可以实现进一步细分利用计算机代替硬件电路对模拟量进行数字计算达到细分的目的大计数小计数87654321u1u2卦限图在1、4、5、8卦限内计算tan值在2、3、6、7卦限内计算cot值tan值与cot值均在0～1之间变化87654321u1u2使用查表的方法实现细分在存储器中固化一个表，存储一个卦限内（45°）N个tan值微机在表中查找与计算出的tan或cot最接近的存储单元，进而求出细分数例：在一个卦限内实现25细分（N=25）设查找到第k个单元的值与计算出的tan或cot最接近，则细分数x为：第1卦限x=k第2卦限x=50-k第3卦限x=50+k第4卦限x=100-k第5卦限x=100+k第6卦限x=150-k第7卦限x=150+k第8卦限x=200-k特点使用查表法，减少了计算时间修改软件和正切表，能方便地实现高的细分数软件查表，速度较慢应用输入信号频率不高的场合优点：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：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。四、只读存储器细分原理组成模/数转换器只读存储器细分锁存器周期计数电路逻辑控制电路硬件查表将两路输入信号经模/数转换的结果（8位数字量）作为地址信号选通相应的存储单元，输出固化的一个周期内的细分数值整周期的计数通过对细分锁存器最高两位（D7D6）的处理实现特点速度快A/D转换的时间约1μs，其他操作仅需几十纳秒电路简单细分数高应用广泛，特别是输入信号频率较高的场合几十千赫兹～上百千赫兹只读存储器细分原理图256细分只读存储器细分锁存器加减信号发生器周期计数器计数锁存器逻辑控制器……D9D8D7D0AsinθAcosθXY∩/#∩/#D15整周期的计数通过对细分锁存器最高两位（D7D6）的处理实现。当信号值从255增加时，二个最高位从11变化为00。反之，当信号值从0开始减少时，这二位从00变为11。模数转换结果与对应角度的关系固化值=INT(θ×256/(2π))题7-1图例7－1图7-31为一单稳辨向电路，输入信号A、B为相位差90

的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A导前B90、B导前A90的情况，画出A、Uo1、Uo2的波形。可见，当A导前B90

时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。

o2

ABABAUO1UO2ABABAUO1UO2

xi-

xF

xF比较器F

Ksxo-+N∫xi第二节平衡补偿式细分

平衡式细分原理图

闭环系统的灵敏度一、相位跟踪细分

1．

原理

uj=umsin(

t+

j)

um、

——载波信号的振幅和角频率；

j——调制相移角，

j通常与被测位移x成正比，

j=2

x/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)

d

j-

d移相脉冲

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：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

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图: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)UjUj

UdUcDG1DG2UxFxUjUdUd

UcDG1DG2UxFxb)c)图: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: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&