测控电路7-1

第七章信号细分与辨向电路概述第一节直传式细分电路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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。概述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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xix1xoK1K2Kmx1x2Ks=K1K2K3…Km第一节直传式细分电路直传式细分电路由若干环节串联而成，图。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。输出xo有多种形式: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。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)K，为各个环节灵敏度Kj(j=l～m)之积：Ks=K1K2K3…Km第一节直传式细分电路由于直传系统信号单向传递，故越在前面的环节，其输入变动量所引起的输出的变动量越大。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。第一节直传式细分电路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。mjjjxKxKx1sisoKsj——xo对xj的灵敏度,Ksj=Kj+1…Km第一节直传式细分电路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。第一节直传式细分电路典型的细分电路☆四细分辨向电路☆电阻链分相细分☆微型计算机细分☆只读存储器细分第一节直传式细分电路一、四细分辨向电路输入信号：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：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一、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图7-2单稳四细分辨向电路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA≥1BBBAAAABBB≥1ABA'B'Uo1Uo2ABA'B'Uo1Uo2a)b)图7－3正向分析：当A发生正跳变时，由非门DG1、电阻R1、电容C1和与门GD3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A'，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出;由于B为低电平，与或非门DG10无计数脉冲输出。当B发生正跳变时，由非门DG6、电阻R3、电容C3和与门DG8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B‘，此时A为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10仍无计数脉冲输出。正向分析：当A发生负跳变时，由非门DG2、电阻R2、电容C2和与门DG4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A‘，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出。当B发生负跳变时，由非门DG5、电阻R4、电容C4和与DG9组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B‘，此时A为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出。在正向运动时，DG5在一个信号周期内依次输出A‘、B’、A‘、B’四个计数脉冲，实现了四组分。同样的方法可以分析在传感器反向运动时，DG5无脉冲输出，DG10有四个脉冲输出。同样实现了四组分。DG5、DG10随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号Uo1、Uo2可直接送入可逆计数器计数，实现辨向计数。如74Ls194、反向分析：HCTL-20XX系列四细分辨向电路图7-4HCTL-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CNTDECRHCTL-20XX系列是HP公司生产的细分辨向电路。包括HCTL-2000、HCTL-2016和HCTL-2020三种功能相近的芯片，四细分和辨向功能，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。CLK为芯片外接工作时钟，经施密特触发器改善波形后成为CK,用作芯片内部的时钟。传感器的两方波信号输入端CHA、CHB为了提高芯片的抗干扰能力，输入信号首先经过施密特触发器和数字滤波器的预处理。预处处理后的信号经四细分辨向电路产生一路计数脉冲和一路方向控制信号，它们被送入内部可逆计数器，计数器为12位(HCTL-2000)或16位(HCTL-2016/2020）计数值通常在CLK的上升沿被锁存到后面的锁存器，锁存数据同样为12位或者16位。为了能够与常用的8位数据总线按口，12位或者16位锁存数据又经过一多切换器转换为高、低两个8位字节，由SEL端控制分时输出，切换器具有三态输出缓冲机构，可以直接挂在外部数据总线上，由OE控制数据的读取。为了防止在读取高、低字节的间隙锁存器内密发生变化，以免读取的高、低字节互不对应，芯片设有一禁止逻辑，当读取高字节时，启动禁止逻辑，使锁存器数值保持不变，但这并不影响计数器照常计数，直到读取低字节所，禁止逻辑才得以解除，锁存器恢复正常锁存。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，实现细分二、电阻链分相细分1.原理u1u2uou2R1R2uou1211RRER212RRER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图7-5电阻链分相细分a)原理图b)矢量图一般总结：输入的正余弦信号经电阻链运算电路线性叠加后，得到一相位移为φ的输出信号。改变R1和R2的比值，可获得具有不同相位的输出信号。同时也改变了输出电压幅值Uom相位移只能在0～90°范围内变化。为获得0～360°范围内的移相信号，可采用图所示电阻移相电路36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ12kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR2.电阻链五倍频细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三部分组成。电阻移络在第一、二象限内给出的移相角分别为0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°、144°、162°的10路移相信号。移相电阻的取值满足上面的角度关系式。并尽可能兼顾到电阻系列的际称阻值，实际取值分别为：l8kΩ、24kΩ、33kΩ、和56kΩ四种。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，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°的五倍频方波信号，逻辑电路的工作波形见图施密特触发电路上升沿和下降沿的触发点具有不间的触发电平，这个电平差称为叫差压。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翻转。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1231311131211356481098104Esint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。二、电阻链分相细分原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入12345678u1u2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a)b)三、微型计算机细分原理：两路原始正交输入信号：一方面经比较器变为方波、送入辨向计数电路，实现对信号周期的计数。另一方面，分别经各自的模/数转换器将模拟量变为数字量，再由接口电路进入微机进行细分。微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现8细分。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|把一个信号分为8个区间，或称卦限，每卦45°8个卦限中两信号的极性和绝对值大小:三、微型计算机细分微机按上表的内容就可判别信号所在的封限，也就实现了8细分。在一个卦限内，按信号绝对值比值大小可再实现若干细分。再细分在1、4、5、8卦限用|tgθ|，在2、3、6、7卦限用|ctgθ|。上述卦限中的|tgθ|值或|ctgθ|值都在0到l之间变化，两信号|u1|、|u2|比值：再细分因而可用0°--45°间的|tgθ|值或|ctgθ|值来表示。这样，可计算机中固化一个表，如果每卦细分数为N(本例N=25)，则用N个存储单元固化0°--45°间N个正切值，再细分如果某存储单元是正切表的第k个单元，则相位角θ对应的细分数x，由下列公式决定:第l卦限：x=k第2卦限：x=50-k第3卦限：x=50+k第4卦限：x=100-k第5卦限：x=100+k第6卦限：x=150-k第7卦限：x=150+k第8卦限：x=200-k再细分然后计算x对应的被测量，也就实现了细分。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。缺点：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。四、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AsinAcosXY细分锁存器加减信号发生器加∩/#∩/#D0D6D7D8D9......只读存储器细分原理图四、只读存储器细分四、只读存储器细分两路相位差为90°的正、余弦模拟信号u1=Asinθ、u2=Acosθ分别送入两个模/数转换器。模/数转换器一般