测控电路07-信号细分和辩向电路

测控电路12020/2/11第七章信号细分与辨向电路作用：细分电路实现对周期性的测量信号进行插值，提高仪器的分辨率；辨向电路实现对周期性信号极性的判断。7.1直传式细分电路（★）7.2平衡补偿式细分电路测控电路22020/2/11第七章信号细分与辨向电路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。信号的共同特点：信号具有周期性，每变化一个周期就对应空间上的一个固定位移量。例如光栅、磁栅、容栅、感应同步器等输出的信号。第七章信号细分与辨向电路)2/sin(2)cos1(2cos221212121若两光栅栅距W相同，两光栅栅线的夹角θ很小，则有：第七章信号细分与辨向电路信号细分原因：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。细分的基本原理：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。第七章信号细分与辨向电路什么是辨向：辨别机构的移动方向为什么要辨向：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。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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第七章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。第七章信号细分与辨向电路测控电路82020/2/117.1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，Ks=K1K2K3∙∙∙∙Kmxix1xoK1K2KmDx1x2第七章信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路xix1xoK1K2KmDx1x2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。另外，由于干扰等原因，当某一个环节的输入量有增量∆xj时，都会引起输出量xo的变化，这时DmjjsjisoxKxKx1Ksj——xo对于xj的灵敏度；ksj=Kj+1∙∙∙Km7.1直传式细分电路越靠近输入端环节的输入量增量∆xj所引起输出的变化就越大，故尽量减小靠近输入端环节的误差。缺点：抗干扰能力差，精度低于平衡补偿系统。优点：没有反馈比较环节，电路结构简单，响应速度快，有着广泛应用。7.1.1四细分辨向电路输入信号：相位差90的两路方波信号。细分原理：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7.1直传式细分电路辨向原理：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。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7.1.1四细分辨向电路ABAB前进后退正向：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7.1.1四细分辨向电路测控电路142020/2/117.1.1.1单稳四细分辨向电路DG7&&&&&&&&Uo1Uo2R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2R4DG6AABBBBBAAA'A'B'B'BA'A'A'A'B'BB'≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5当传感器正向移动时设A导前B，当A、B发生正跳变，输出窄脉冲信号A'、B'。ABA'B'测控电路152020/2/11A'B'ABA'B'7.1.1.1单稳四细分辨向电路当A、B发生负跳变，输出窄脉冲信号A'、B'。DG7&&&&&&&&Uo1Uo2R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2R4DG6AABBBBBAAA'A'B'B'BA'A'A'A'B'BB'≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5BABAABABUo''''1BABABABAUo''''2测控电路162020/2/11ABA'B'A'B'Uo1Uo27.1.1.1单稳四细分辨向电路BABAABABUo''''1BABABABAUo''''2DG7&&&&&&&&Uo1Uo2R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2R4DG6AABBBBBAAA'A'B'B'BA'A'A'A'B'BB'≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5在一个周期内实现了四细分。测控电路172020/2/11ABA'B'A'B'Uo1Uo2ABA'B'A'B'Uo1Uo27.1.1.1单稳四细分辨向电路a)正向运动a)反向运动输出信号Uo1、Uo2可直接送入标准系列可逆计数集成电路，实现辨向计数。测控电路182020/2/11输入信号：相位差90的两路正余弦（正交）模拟信号。工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，由于两信号的叠加作用，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。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。a)原理图b)相量图7.1.2电阻链分相细分测控电路192020/2/11u1u2R1R2uo)/(arctan21RR)sin(omotuuuo112ERRR212ERRR1sinuEt2cosuEt)/(212221RRRREuom7.1.2电阻链分相电路7.1.2.1原理设u1=Esinωt，u2=EcosωttERRRtERRRuocossin211212改变R1和R2可调节输出信号uo的幅值uom和相位φ，uo经电压比较器整形为方波信号，再经逻辑电路处理即可实现细分。测控电路202020/2/110o16295∞∞-URo131211-++N=1ooo18547256kΩ33kΩ18kΩ24kΩ564Esinωt-++N=136o36o108o18o12kΩ123∞-++N∞-++N∞=10o108o18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ12kΩ810++N=190o9024kΩ33kΩ56kΩ18kΩ64Ecosωt∞-++N=1o54o72o144o126o33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ11312118910-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N23=1=1=1144126162oooo180构成：电阻移向网络、比较器、逻辑电路（异或门）移向网络：在第一、二象限内给出移相角0、18、...162十路移相信号（正弦信号）比较器：将十路移相信号与参考电平比较形成方波。7.1.2.2电阻链五倍频细分电路测控电路212020/2/110o16295∞∞-URo131211-++N=1ooo18547256kΩ33kΩ18kΩ24kΩ564Esinωt-++N=136o36o108o18o12kΩ123∞-++N∞-++N∞=10o108o18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ12kΩ810++N=190o9024kΩ33kΩ56kΩ18kΩ64Ecosωt∞-++N=1o54o72o144o126o33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ11312118910-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N23=1=1=1144126162oooo180逻辑电路：异或门将十路方波在3'和4'端获得两路相位差90的五倍频方波信号，满足四细分电路对输入信号要求；若将3'和4'输出端接入单稳四细分辨向电路的A和B，就可实现20细分，且能辨向。7.1.2.2电阻链五倍频细分电路测控电路222020/2/111+21+21+21231311131211356481098104Esint36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+131+28+98+95+67.1.2.2电阻链五倍频细分电路7.1.2.2五细分专用集成电路sin、cos、-sin三路信号通过电阻链移相产生十路移相信号，经十路比较器和逻辑电路在O1、O2获得两路正交信号。测控电路242020/2/11微型计算机细分就是利用微型计算机进行数值计算来进行细分，它用数字计算机代替硬件电路对模拟量进行计算达到细分目的。微机细分按工作原理可分为：（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。7.1.3微型计算机细分7.1.3.1与硬件细分相结合的细分技术光栅传感器细分辨向缓冲计数器1放大整形缓冲计数器2微机接口细分与辨向：由硬件电路完成；计数、处理和显示：由微机完成；缓冲计数器：提高系统的响应速度，光栅移动最高速度为：vCpNtmax/()D7.1.3.2时钟脉冲细分技术将光栅一个栅距W内的信号转化为计时的方法实现细分。X1X2X0T1T01T02T2位移量：TTXXXXMWTT121020102()细分脉冲最小周期：TWNvminmamaxx/()——决定分频数NWxmax/D最大细分数：（——综合误差)xD(W/N=∆x')测控电路272020/2/11a）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7.1.3.3量化细分技术两路正交输入信号u1=Asin和u2=Acos，一方面经比较器变为方波，再经辨向计数电路实现信号周期的计数；另一方面经A/D将模拟量变为数字量，由接口电路进行微机细分。1、4、5、8卦限2、3、6、7卦限u1u212345678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|7.1.3.3量化细分技术在一个卦限内还可实现若干细分21cossintanuuAA121coscotsinAuAu1整周期量化细分：12345678u1u2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+k100πk200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-k7.1.3.3量化细分技术■优点：利用计算机来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arctan(u1/u2)或arccot(u2/u1)，要花费更多的时间；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。7.1.3.3量化细分技术7.1.3.4只读存储器细分改软件查表为硬件查表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......∩/#两路正交输入信号u1=Asin和u2=Acos分别送入两个A/D转换器，将模拟信号转换为二进制数字信号X和Y，数值在0~255之间变化，其中“128”对应模拟输入信号的“0”电平。X和Y与角度