信号细分与变向电路

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1、第七章 信号细分与辨向电路第七章 信号细分与辨向电路?概述概述?第一节 直传式细分电路第一节 直传式细分电路?第二节 平衡补偿式细分电路第二节 平衡补偿式细分电路?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 段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分 辨力。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。概述概述?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 周期就对应着空间上一个固定位移 量。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。概述概述?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

2、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。概述概述概述概述?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：?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。概述概述xi x1xoK1K2Kmx1x2Ks=K1K

3、2K3Km图7-1第一节直传式细分电路第一节直传式细分电路?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，即使细分点的位 置发生变化。值发生变化，即使细分点的位 置发生变化。 =+=mjjjxKxKx1sisoKsjxo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km?缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。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。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

4、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 两路方波信号。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：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单稳四细分辨

5、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 沿实现四细分原理：利用单稳提取两路方波信号的边 沿实现四细分图7-2 单稳四 细分辨向电路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9 R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1ABABUo1Uo2ABABUo1Uo2a) b)图73HCTL-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

6、电路12/16位 可逆计数器Q0-Q7 Q0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位 锁存器 B0-B7A0-A7SELOE888D0- D7细分脉冲计数方向级联脉冲U/DCNTCASHCTL-2020具有的功能多路切换器 三态缓冲器SEL OE 禁止逻辑*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECR?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 分工作原理：将正余弦信号施加在电阻链 两端

7、，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 分电阻链分相细分电阻链分相细分1. 原理原理u1u2uou2R1R2uou1211 RRER +212 RRER +图7-5 电阻链分相细分 a) 原理图 b) 矢量图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 交流电压串联而成，电阻链两端加有 交流电压u1、u2，其中，其中，u1=Esin t，u2=Ecos t电阻链分相细分电阻链分相细分图7-636o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k 33k 18k

8、 24k 18k 24k 56k 33k 24k 33k 56k 18k 33k 24k 18k 56k 12k12k1 235 64131211981065411312118910EsintEcost-Esint- +N- +N- +N- +N- +N- +N- +N- +N- +N- +N= =1= =1= =1= =1= =123= =1= =1= =1UR2. 电阻链五倍 频细分电路电阻链五倍 频细分电路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

9、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。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。电阻链分相细分电阻链分相细分1 2 3 13 11 13 12 11 356 4 8

10、 10 9 8 10 4Esint图 7.7?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|u

11、2|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?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。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。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

12、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图0 128 255XY 255128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(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXYxi-xFxF比较器FKs xo-+Nxi第二节 平衡补偿式细分第二节 平衡补偿式细分图7-11 平衡式细分原理图FxxK1io F=闭环

13、系统的灵敏度一、相位跟踪细分一、相位跟踪细分?1 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， 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：?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&UcUjUdD

14、G1UcUjDG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)图13鉴相电路 a) 电路图b) 正向波形图c) 反向波形图此鉴相电路 没有门槛， 会有在平衡 点附近振摆 跟踪的问题UdUX&UcUjUdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUjUdRRCCa)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

15、) 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&SRD C&f0Fx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)nW fVnWfV 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。VfWV +=2(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。?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