chap07-信号细分与辨向电路

测控电路第7章信号细分与辨向电路7.0概述7.1直传式细分电路7.2平衡补偿式细分电路2020/2/11-2-7.0概述信号细分电路又称插补器,是采用电路手段对周期性测量信号进行插值以提高仪器分辨能力的一种重要方法。细分电路在机械电子测控等领域有着广泛的应用,主要针对测控系统中应用广泛的线位移信号和转动信号，例如来自光栅、感应同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪,电机转动方向和转动角度等信号的细分。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2020/2/11-3-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,则仪器的分辨能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能力，就需要使用细分电路。2020/2/11-4-细分电路的基本原理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能力。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。2020/2/11-5-细分电路的分类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。2020/2/11-6-7.1直传式细分电路直传式细分电路由若干环节串联而成,如图所示.细分电路的输入量为xi，一般是来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为90的两路方波最为常见。系统的输出xo，有时为频率更高的脉冲或模拟信号,有时为可供计算机直接读取的数字信号。xix1xoK1K2Kmx1x22020/2/11-7-直传式细分电路-概述中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各个环节都依次向末端传递信息，这就是直传的意思。电路的结构属于开环系统，系统总的灵敏度（也可称传递函数）Ks为各个环节灵敏度Kj(j=1~m)之积Ks=K1K2K3…Km2020/2/11-8-直传式细分电路-概述Ksj——xo对xj的灵敏度,Ksj=Kj+1…Km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化。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。mjjjxKxKx1siso2020/2/11-9-直传式细分电路-概述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。2020/2/11-10-7.1.1四细分辨向电路最为常用的细分辨向电路,输入信号：具有一定相位差(通常为)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：根据两路方波相位的相对导(超)前和滞后的关系作为判别依据原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分2020/2/11-11-单稳四细分辨向电路2020/2/11-12-单稳四细分辨向电路波形图ABA'B'(/A)’(/B)’Uo1Uo2HH•A,B的正,负边沿都能采集到•输出信号Uo1,Uo2可直接送入可逆计数集成电路(例如74LS193),实现辨向计数.ABA'B'(/A)’(/B)’Uo1Uo22020/2/11-13-单稳信号的产生-边沿窄脉冲将上述原理做成的集成电路,如C5194,C5191.AAA’2020/2/11-14-7.1.1.2HCTL-20XX系列四细分辨向电路HCTL-20XX系列是HP公司生产的细分辨向电路。HCTL-20XX系列包括HCTL-2000、HCTL-2016和HCTL-2020三种功能相近的芯片，三者都具有四细分和辨向的功能，同时还具有抗干扰设计，并将可逆计数器设计在芯片上，芯片的集成度高，可大大简化外围电路的设计。2020/2/11-15-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CHACHB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-Q7Q0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位锁存器B0-B7A0-A7＊SELOE888D0-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SELOE禁止逻辑*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECR2020/2/11-16-7.1.2电阻链分相细分电阻链分相细分是应用很广的细分技术，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.2020/2/11-17-7.1.2.1电阻链分相细分原理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电阻链分相细分a)原理图b)矢量图2020/2/11-18-电阻链分相细分原理(续)应用叠加原理求出电阻链接点处输出电压2020/2/11-19-电阻链分相细分原理(续)改变R1和R2的比值，可以改变，也就改变了输出电压的相位。电阻比的改变也改变了输出电压幅值uom；矢量uo的终点沿直线运动；=45时，uom有最小值。=0～90第一象限的情况如此.电路两端若接cost和-sint，可以得到第二象限各相输出电压；接-cost和-sint，可以得到第三象限各相输出电压；接-cost和sint，可以得到第四象限各相输出电压。不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。2020/2/11-20-7.1.2.2电阻链五倍频细分电路五倍频细分是电阻链细分的一个典型的实例.整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三大部分组成.电阻移相网络在第一、二象限内给出的移相角分别为0,18,...,162度的10路移相信号，移相电阻的取值首先应满足式（7-1），并尽可能兼顾到电阻系列的标称阻值.实际取值分别是18K,24K,33K,56K.2020/2/11-21-滞回比较器的采用电压比较器将10路移相信号与参考电平UR相比较，将正弦信号转化为方波信号。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。2020/2/11-22-电阻链五倍频细分电路--P1882020/2/11-23-五倍频细分电路的工作波形P1891231311131211356481098104Esint2020/2/11-24-五倍频细分电路的输出与级联从比较器得到的10路方波信号再经过异或门逻辑组合电路，在3'和4'端获得两路相位差为90度的五倍频方波信号.五倍频方波信号满足前面的四细分电路对输入信号的要求,与之级联可实现20细分和辨向.2020/2/11-25-7.1.2.3五倍频细分专用集成电路电阻链细分具有良好的动态特性，在实践中得到了广泛应用，国内已有专用的集成电路供应，如C5192、C5193,QA740204/SM等。2020/2/11-26-电阻链分相细分的特点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。2020/2/11-27-7.1.3微型计算机细分利用微机进行数值计算来进行细分,以代替硬件电路.按工作原理分为三种类型:1,与硬件细分相结合的细分技术2,时钟脉冲细分技术3,量化细分技术2020/2/11-28-7.1.3.1与硬件细分相结合的细分技术细分和辨向电路仍采用传统电路,计数器也没有完全取消.微机的软件实现计算速度,位移,位移增量等.实现上是硬件细分电路与微机的接口2020/2/11-29-7.1.3.2时钟脉冲细分技术光栅在匀速移动的情况下.不做要求2020/2/11-30-7.1.3.3量化细分技术2020/2/11-31-微型计算机整周期细分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a）电路原理图b）卦限图2020/2/11-32-整周期量化细分2020/2/11-33-卦限表2020/2/11-34-在一个卦限内的细分2020/2/11-35-在一个卦限内的细分(续)2020/2/11-36-整周期量化细分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，若直接算反函数要花更多的时间；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。2020/2/11-37-2,半周期量化细分2020/2/11-38-微机半周期细分原理图2020/2/11-39-7.1.3.4只读存储器细分解决微机细分中软件查表速度慢的问题,改软件查表为硬件查表.只读存储器细分原理图只读存储器减计数锁存器周期计数器逻辑控制器AsinAcosXY细分锁存器加减信号发生器加∩/#∩/#D0D6D7D8D9......2020/2/11-40-只读存储器细分(续)-AD转换2020/2/11-41-只读存储器细分(续)-角度关系2020/2/11-42-只读存储器细分(续)-存储器的组织2020/2/11-43-只读存储器细分(续)-整周期的计数2020/2/11-44-思考与习题P2107-1AAA’单稳信号的产生-边沿窄脉冲2020/2/11-45-第7章本章结束!