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1、7. 信号细分与辨向电路,刘建娟 电气工程学院测控系 电子邮件：liujuanhaut 电话：18623718257,2019/10/16,7. 信号细分与辨向电路,一、信号细分电路的概念 信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。 二、信号的共同点 本章内容主要针对测控系统中应用广泛的线位移信号和转动信号的细分。这类信号的共同特点是：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。例如来自光栅、感应同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪等的信号。,2019/10/16,7. 信号细分与辨向电路,三、电路细分的原因 通常采用对信号周期进行
2、计数的方法实现对位移量的测量，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。 四、细分的基本原理 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。,2019/10/16,7. 信号细分与辨向电路,五、辨向 辨向：辨别机构的移动方向。 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。 六、细分电路分类 按工作原理，细分电路可分为直传式细分和平衡补偿式细分。 按所处理的信号，细分电路分已调制信号细分
3、电路和非调制信号细分电路。,2019/10/16,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,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=1m)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。,2019/10/16,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量xj时，都会引起输出量xo的变化，这时有：,显然，由于Ks的变化和xj的存在会使达到相同xo所需的xi值发生变化，即使细分点的位置发生变
4、化。,2019/10/16,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,优缺点： 由于直传系统信号单向传递，越在前面的环节，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。 一般来说，直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。 但是由于直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，故有着广泛的应用。,2019/10/16,细分：基于两路相位差90 的方波信号的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。,单稳,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、四细分辨向电路,辨向：如果A出现
5、在B为负的半周期，则A超前于B ,正向运动；如果A出现在B为正的半周期，则A滞后于B,反向运动。,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、四细分辨向电路,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、四细分辨向电路,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、四细分辨向电路,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,2019/10/16,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、四细分辨向电路,2019/10/16,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
6、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 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、电阻链分相细分电路,2019/10/16,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、电阻链分相细分电路,电阻链五倍频细分电路,2019/10/16,电阻链五倍频细分电路,7.1 直传式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、电阻链分相细分电路,2019/10/16,为系统输出量,是数字代码,代码多是脉冲数,为前馈回路各个环节的灵敏度,F为反馈环节的灵敏度,为系统模拟输入量,可为长(角)度,也可为幅值,相位,频率等,为细分数,7.2
7、平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节距大的感应同步器、容栅仪器中，也用于磁栅、光栅仪器中。这种细分方法可实现高的细分数，如2000，甚至10000。,相对相位基准既是反馈环节、 又是细分机构，分频数等于细分数,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-原理,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,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电
8、路,一、相位跟踪细分技术-鉴相电路,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。,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-鉴相电路,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-鉴相电路,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-相对相位基准和移相脉冲门,Ux=0: DF正常二分频,Ux=1: DF不工作，输出1,Fx=0: DG2关闭，减脉冲,Fx=1: DG2开启，脉冲数加倍,7.2 平
9、衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-相对相位基准和移相脉冲门,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-测量速度,相位跟踪细分常用于感应同步器和光栅的细分，由于在一个载波周期仅有一次比相，因此对测量速度有一定限制。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
10、数据。传感器反向运动时，Ud 超前于Uj，相对相位基准停止进脉冲，d-j多大，Ux脉宽就多宽，使相对相位基准少进相应的脉冲数，使Ud后延，直到达到d=j。故反向运动时系统有很强的跟踪能力。,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-测量速度,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-测量速度,7.2 平衡补偿式细分电路,传感器正向运动时，Ud 滞后于Uj，相对相位基准在Ux=1期间以加倍的速度进脉冲，使Ud赶Uj，由于进脉冲速度加倍，使Ud提前跳变成低电平，这使Ux为低电平,停止增加脉冲，结果使相位差减小一半。在Ux为低电平期间，Uj又超过Ud（因加脉冲
11、已停止），相位差在原有基础上又有新的扩大，如不限制工作台的移动速度，就会使相位差扩大到超过鉴相器的鉴相范围，甚至把滞后鉴为导前，使相位差更加扩大，造成丢失整个标尺节距的粗大误差。,正向运动时Ud滞后于Uj，在Ux=1期间以加倍的速度进脉冲，只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使 j-d减小至 /2。第二周期又产生，相位差扩大为(/2)+，经跟踪留下(/2+)/2；第三周期又产生，经跟踪留下+(/2+)/2；最终相位差扩大为,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-测量速度,7.2 平衡补偿式细分电路,本鉴相器根据相位差输出落在Uc的高电平还是低电平辨向，鉴相范围为/2, 超过鉴相器
12、的鉴相范围/2就要将Uj超前误判为滞后，从而丢失整个节距，即失步。为此要求,7. 信号细分与辨向电路,一、相位跟踪细分技术-测量速度,7.2 平衡补偿式细分电路,e超出门槛电平就改变d，使e减小， d跟踪j的变化 感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,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半周期，输出信号e变号，需要在辨向中注意。,前半周期,后半周期,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与
13、辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,为进一步减少抽头，把180先按=18等分为10份，再把18按=1.8等分为10份，令dAB,因为B=(09)1.8=016.2，cosB=10.963。正余弦励磁电压同时增大不影响平衡位置,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,正余弦变压器,正切变压器,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,二、幅值跟踪细分技术,调宽脉冲波的波形分析,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,调宽脉冲波的波形
14、分析,(1)非对称波,基波分量,us1、uc1在定尺上感应的电动势,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,调宽脉冲波的波形分析,对称波,n为偶数时， us=0 uc=0,n为奇数时,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,us1、uc1在定尺上感应的电动势,基波分量,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,e未超门槛，Md=0, DF2、DF4四分频 UA=UB=Q4,e
15、超出门槛, Md=1 DF2、DF4停翻,如Fx=1, 来一个Md，Q1改变一次状态,UA提前发生变化， Q3 不变，UB滞后,如Fx=0, 来一个Md，Q3改变一次状态,UB提前发生变化， Q1 不变，UA滞后,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,a）电路图,DG3,U22,Us,Uc,=1,&,1,=1,&,DG4,DG1,DG5,DG2,U1,U12,U2,U1,U2,A,d,d,2d,2d,非对称脉宽组合电路,U1,U12,U1,U2,U22,U2,Us,Uc,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,7.2 平衡补偿式细分电路,7. 信号细分与辨向电路,三、脉冲调宽型幅值跟踪细分技术,思考题与习题,7-1 7-5 7-7,
