测控电路（第7版）课件：信号细分与辨向电路

信号细分与辨向电路8.1直传式细分电路8.2平衡补偿式细分本章知识点四细分辨向电路和电阻链五细分辨向电路微型计算机细分电路相位跟踪细分和锁相倍频细分相位跟踪细分和幅值跟踪细分信号细分与辨向电路为什么要细分？提高分辨力信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。

高分辨力是高精度的必要条件。激光干涉仪123546信号细分与辨向电路光栅测量装置亮亮暗W指示光栅主光栅受工艺和造价等限制信号细分与辨向电路感应同步器WW=2mm滑尺定尺受工艺和允许电流限制需要读出一个周期内的移动量:细分信号细分与辨向电路什么是辨向？辨向：辨别机构的移动方向由A前进至C与由A后退至B信号变化情况相同由E前进与由D后退信号变化情况相同难以根据单一信号辨向ABCDE信号细分与辨向电路为了辨向常需要两路信号AB前进B在A前面后退A在B前面ttuu信号细分与辨向电路无法根据两路相位差0°或180°的信号辨向，相位差90°的两路信号最可靠。信号细分与辨向电路8.1直传式细分电路8.1.1四细分辨向电路8.1.2电阻链细分8.1.3微型计算机细分8.1直传式细分电路直传式细分直接利用位移信号进行细分，称其为直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因为它可以由若干细分环节串联而成系统总的灵敏度Ks为各个环节灵敏度Kj(j=1~m)之积，如果个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必引起系统总的灵敏度的变化。

xi

x1

xo

K1

K2

KmDx1

x2

8.1.1四细分辨向电路四细分辨向电路为最常用的细分辨向电路，输入信号为具有一定相位差(通常为90°)的两路方波信号。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，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是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。1、单稳四细分辨向电路单稳四细分辨向电路：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。1、单稳四细分辨向电路细分：利用两路相位差90°

的信号的4个跳变沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。R&CDG21DG1AA

ABA

单稳辨向：如果A´出现在B为负的半周期，则A滞后于B，正向运动；如果A´出现在B为正的半周期，则A超前于B，反向运动。ABA

ABA

前进后退1、单稳四细分辨向电路正向：

A

出现在B为负的半周期

B

出现在A为正的半周期

A

出现在B为正的半周期

B

出现在A为负的半周期反向：

B

出现在A为负的半周期

A

出现在B为正的半周期

B

出现在A为正的半周期

A

出现在B为负的半周期

ABAB前进后退1、单稳四细分辨向电路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

UO1

DG5

UO2

DG10

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

C2

DG4

DG8

R3

C3

C4

DG9

R4

DG6

A

A

B

B

B

BB

A

A

A¢A¢

B¢

B¢

B¢A¢A¢

A¢A¢B¢

B¢B¢

≥1≥11、单稳四细分辨向电路

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

1、单稳四细分辨向电路2、HCTL-20XX系列四细分辨向电路HCTL-20XX系列8.1.2电阻链细分为了实现更大的细分数，需要生成具有不同相位的多个信号。将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的节点上可得到相位各不同的电信号。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。a)原理图b)相量图u1

uo

u2

R1R2uo8.1.2电阻链细分电阻链五倍频细分电路

36o

108o

18o

0o

162o90o

54o

72o

144o

126o56kΩ

33kΩ18kΩ

24kΩ

18kΩ

24kΩ

56kΩ

33kΩ

24kΩ

33kΩ

56kΩ

18kΩ

33kΩ

24kΩ

18kΩ

56kΩ

12kΩ

12kΩ

1

235

6

413

12

11

9

8

106¢

5¢

4¢

1¢

13¢

12¢

11¢

8¢

9¢10¢

Esinωt

Ecosωt

-Esinωt

∞-++

N

∞-++

N

∞-+

+

N∞-++

N∞-++

N

∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

=

1=

1

=

1

=

1=

1

2¢

3¢

=1

=

1

=

1

UR36oooo1854720o

90108144126162oooooo180还需要解决辨向问题，采取形成以72°为周期的两路方波信号的办法8.1.2电阻链细分电阻链五倍频细分电路通过一定逻辑组合，获得五倍频正余弦信号，送入四细分辨向电路，实现20

细分辨向

123131113¢12¢11¢3¢5648109¢8¢10¢4¢

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13¢¢1+2¢¢8+98+9¢¢5+6¢¢

1111¢3¢12+1312+13¢¢1+2¢¢

123131113¢12¢11¢3¢5648109¢8¢10¢4¢

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13¢¢1+2¢¢8+98+9¢¢5+6¢¢

123131113¢12¢11¢3¢5648109¢8¢10¢4¢

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13¢¢1+2¢¢8+98+9¢¢5+6¢¢

123131113¢12¢11¢3¢5648109¢8¢10¢4¢

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13¢¢1+2¢¢8+98+9¢¢5+6¢¢8.1.3微型计算机细分a）电路原理图

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

整周期计数周期内细分一周期内绝对码信号1、4、5、8卦限2、3、6、7卦限u1u21

2

34

5

678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|8.1.3微型计算机细分1

2

34

5

678u1u2

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+k200细分

为减少计算机运算时间，采用软件查表，细分速度比硬件慢，主要用于静态测量中。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-k8.1.3微型计算机细分8.2平衡补偿式细分8.2.1相位跟踪细分8.2.2幅值跟踪细分8.2.3脉冲调宽型幅值跟踪细分8.2.4频率跟踪细分——锁相倍频细分8.2平衡补偿式细分平衡补偿式细分电路是一种带负反馈的闭环系统

xi-xF

xF

比较器

F

Ksxo-

+N

∫

xi系统平衡时xi-xF=0闭环系统的灵敏度

umsin(

t+

j)

d

j-

d移相脉冲鉴相电路放大整形移位脉冲门显示电路相对相位基准分频器8.2.1相位跟踪细分相位跟踪细分属平衡式细分，它的输入信号一般为相位调制信号uj=umsin(

t+

j)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx

UdUx&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uj

DG2DG3DG4DG5FxFxUc

Uj位移信号Ud为相位补偿信号Uc是为辨向参考信号它是Ud的倍频信号(1)根据

j-d输出对应的脉宽信号Ux;(2)根据

j与

d的导前、滞后，确定滑尺移动方向，输出Fx或Fx

问题：没有迟滞，会来回振荡1、鉴相电路

UdUx&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FxFxUj

′

Ud′

RRCCUjUj

UdUcDG1DG2UxFxUjUdUd

UcDG1DG2UxFx引入迟滞，只有

j-d信号延续一定时段才有输出利用Uj和Ud的延时信号Uj

、Ud

，只有当Uj与Ud的相位差超过一定时限才有脉宽信号Ux输出1、鉴相电路2、相对相位基准和移相脉冲门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Ux=0:DF正常二分频Ux=1:DF不工作，输出1Fx=0:DG2关闭，减脉冲Fx=1:DG2开启，脉冲数加倍

Uxn/2分频器相对相位基准移相脉冲门

Ms去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&

f0

Fx

Uc

二分频器n/4分频器去鉴相器2、相对相位基准和移相脉冲门由于在一个载波周期仅有一次比相，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，即静态测量时（指移动部件停止运动后才读数），尽管在传感器位移时会发生超过一个脉冲当量的误差，但是，一旦传感器在测量位置停下，经过一段时间，就能读得合乎精度要求的测量数据。3、测量速度UjUx

/2UjUx没跟踪Ud

无脉冲进入，等待跟踪后Ud与Uj同时翻转跟踪后Ud加倍进脉冲停止进脉冲，仍落后

/2Uj滞后Uj超前没跟踪Ud3、测量速度WW=2mm余弦绕组定尺正弦绕组8.2.2幅值跟踪细分原理鉴幅辨控制电路显示电路切换计数器函数发生器θjθde调幅脉冲向电路放大滤波电路感应同步器e超出门槛电平就改变θd，使减小，θd跟踪θj的变化感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现1、原理2、鉴幅器偏差电压从零开始，一般不超过几十毫伏。偏差电压送入鉴幅器前需经电压放大、全波整流和滤波处理，然后与鉴幅器的门槛电压相比较。鉴幅器一般有两个门槛，称为粗、精门槛，设置两个门槛的目的是在保证细分分辨力的基础上提高测量速度。测量开始时，允许较高的测量速度，速度大时产生的

j-

d大，感应电动势e也大，这时系统以大步距

d跟踪，使

d迅速赶上

j。接近平衡位置时，e较小。当e小于粗门槛但大于精门槛，系统则以小步距

d跟踪，直到

d=

j，系统平衡为止。3、函数电压发生器函数电压发生器一般采用多抽头变压器，称作函数变压器，不同抽头有不同umsinθd或umcosθd输出电压幅度。00180180360360θd/(˚)θd/(˚)usucucusc)变形正弦a)正弦信号00180180360360θd/(˚)θd/(˚)b)余弦信号d)变形余弦前半周期后半周期3、函数电压发生器为了实现n细分，变压器需要n个抽头。为减少抽头简化供电方式。采用变形正余弦激磁电压后后半周期，输出信号e变号，需要在辨向中注意。为进一步减少抽头，180

的相位角先按

=18

等分为10份，再把18

按

=1.8

等分为10份，则可写出

d＝A

＋B

。A、B为0～9的整数。可写出因为B

=(0～9)

1.8

=0

～16.2

，cosB

=1～0.963。正余弦励磁电压同时增大不影响平衡位置，故可近似取3、函数电压发生器3、函数电压发生器正余弦变压器正切变压器3、函数电压发生器DG1DG2WxM+

FxCySRDC=1&SRDCDF1DF2Q2

Q1

D2

M-4、辨向电路前后节距利用切换计数器的正反溢出脉冲辨别D2=Q1

Wx

cos

t为最大时发出的采样脉冲前节距，后节距，e经倒相整形后的信号b)反向运动波形eOωteOωtOωtD2OωtCyOωtWxOWxωtQ1OωtOQ1ωtD2OωtOFxωtOωtCyFxOωta)正向运动波形4、辨向电路滑尺正向运动时，Fx=1；反向运动时，Fx=05、测量速度动态测量时，传感器的移动速度取决于系统在一个载波周期内作几次补偿，以及补偿步距Δθd的大小。若载波频率f=10kHz，每周期补偿一次，Δθd相当一个脉冲当量0.01mm，则移动速度v=0.01mm10kHz=6m/min。若把Δθd增大到10倍，则移动速度可增大到60m/min。这就是采用粗、精两个门槛的原因。当传感器移动速度不高时，误差信号低于粗门槛时，函数变压器以每步1.8°的速度补偿，传感器具有较高的分辨力。当移动速度较高时，误差信号将超过粗门槛，这时函数变压器则直接以每步18°的速度补偿，以保证不丢失整个节距。当然，作为代价，测量的分辨力也相应降低10倍。总之，本系统比相位跟踪系统允许更高的移动速度。8.2.3脉冲调宽型幅值跟踪细分调宽脉冲波的波形分析a)非对称波b)对称波UmususUmucUm-2

-

2

-

t

0ucUm0

2

-

-2

t0-

d

-2

-

2

t

d0-

d

-2

-

2

t