第七章-细分电路

第七章信号细分与辨向电路§7.1直传式细分电路–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§7.2平衡补偿式细分–相位跟踪细分–幅值跟踪细分–脉冲调宽型幅值跟踪细分–频率跟踪细分——锁相倍频细分功能•提高分辨力•对周期性测量信号进行插值•识别运动方向•识别测量信号的相位•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。•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•细分的基本原理–输入信号•来自光栅、感应同步器、磁栅等传感器•具有周期性•信号每变化一个周期对应着空间上的一个固定的位移量–原理•利用周期性测量信号的波形、幅度或相位变化规律，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分辨力•利用周期性测量信号的相位关系可以实现方向识别(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。)•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。第一节直接式细分电路•由若干环节串联而成–输入•来自（位移）传感器，多为一对SIN、COS信号或相移为90°的方波信号–输出•频率更高的脉冲信号或模拟信号•数字信号–灵敏度（传递函数）•——越靠前的环节对输出的影响越大K1K2xix1△x1x2Kmxo直接式细分原理图开环系统•结构简单、响应快•抗干扰能力差、精度较低mjjsjisoxKxKx1•Ksj:xo对⊿xj的灵敏度Ks=K1K2K3…Km•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。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☆只读存储器细分一、四细分辨向电路•最常用的细分辩向电路•原理–输入信号•具有一定相位差的两路方波信号•在一个周期内有2个上升沿和2个下降沿–通过对输入信号的2个上升沿和2个下降沿的处理实现细分–根据两路方波信号的相对导前和滞后关系辨别方向（一）单稳四细分辨向电路–利用单稳电路提取两路方波信号的边沿实现四细分13uu24uu四细分&&&&≥1&&&&≥1&&11&11&ABDG1DG6DG3R1C1R2C2DG4DG2R3R4C4DG9DG8Ā′B′′BĀ′BA′A′BB′B′BBA′AAA′ĀĀB′B′UO1UO2单稳四细分辨向电路DG7DG5DG104、B负跳变3、B正跳变2、A负跳变1、A正跳变•当A发生正跳变时，由非门DG1、电阻R1、电容C1和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A’，此时为高电平，与或门DG5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或门DG10无计数脉冲输出B单稳四细分辩向电路波形反向运动正向运动图7－3四细分四细分禁止逻辑计数脉冲计数方向计数脉冲计数方向D0~D11（15）Q0~Q7Q8~Q11（15）D0~D11（15）INHB0~B7A0~A7*SELOE数字滤波器施密特触发器四细分向电路辨12/16位可逆计数器12/16位锁存器多路切换器三态缓冲器级联脉冲计数方向细分脉冲CNTDECRU/DCNTCASD0~D7888CLKCK*HCTL－2000中A4~A7接地CHACHBSELOEHCTL－2020具有的功能（二）HCTL－20XX系列四细分辨向电路(原理图）二、电阻链分相细分•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•1、原理–输入信号•SIN、COS信号–将SIN、COS信号施加在电阻链两端•在电阻链接点上得到不同相位与幅度的信号–整形•在输入信号的一个周期中得到若干计数脉冲信号u2u1R2R1uou2u1R2R1uoa）原理图212RRER211RRERφu2uou1b）矢量图)sin()/arctan()/()/(cos)/(sin21212221211212tUuRRRRRREURRtERRRtERuomoomo•改变u1、u2可以得到第2、3、4象限的输出信号设电阻链由电阻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•改变R1、R2可以改变φ和Uom2、电阻链五倍细分电路•组成•电阻移相网络•给出10路移相信号•比较器•将正弦信号转换为方波信号•一般采用施密特触发电路的形式•逻辑电路•得到2路相位差90°的5倍频方波信号•异或门组合电路串联式并联式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。•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。三、微型计算机细分1.原理–输入信号•SIN、COS信号–模/数转换–微机判断两路信号的大小和极性，实现细分•卦限：45°相位区间辨向电路可逆计数器数字计算机显示电路∩/#AsinθAcosθ∩/#过零比较器电路原理图•根据各卦限内两路信号的关系（极性和大小）可以实现8细分•在每一卦限内，根据两路信号的绝对值的比值可以实现进一步细分利用计算机代替硬件电路对模拟量进行数字计算达到细分的目的大计数小计数87654321u1u2卦限图1221sincoscot|||||cos||sin||tan|uuAAuuAA•在1、4、5、8卦限内计算tan值•在2、3、6、7卦限内计算cot值•tan值与cot值均在0～1之间变化87654321u1u2•使用查表的方法实现细分•在存储器中固化一个表，存储一个卦限内（45°）N个tan值•微机在表中查找与计算出的tan或cot最接近的存储单元，进而求出细分数•例：在一个卦限内实现25细分（N=25）•设查找到第k个单元的值与计算出的tan或cot最接近，则细分数x为：第1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•特点•使用查表法，减少了计算时间•修改软件和正切表，能方便地实现高的细分数•软件查表，速度较慢•应用•输入信号频率不高的场合•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。)/cot(21uuarc四、只读存储器细分•原理–组成•模/数转换器•只读存储器•细分锁存器•周期计数电路•逻辑控制电路–硬件查表•将两路输入信号经模/数转换的结果（8位数字量）作为地址信号选通相应的存储单元，输出固化的一个周期内的细分数值–整周期的计数•通过对细分锁存器最高两位（D7D6）的处理实现•特点•速度快•A/D转换的时间约1μs，其他操作仅需几十纳秒•电路简单•细分数高•应用•广泛，特别是输入信号频率较高的场合•几十千赫兹～上百千赫兹只读存储器细分原理图•256细分只读存储器细分锁存器加减信号发生器周期计数器计数锁存器逻辑控制器……D9D8D7D0AsinθAcosθXY∩/#∩/#D15整周期的计数通过对细分锁存器最高两位（D7D6）的处理实现。当信号值从255增加时，二个最高位从11变化为00。反之，当信号值从0开始减少时，这二位从00变为11。模数转换结果与对应角度的关系固化值=INT(θ×256/(2π))DG5DG1ACARBUo1Uo2&1&DG4&1DG2DG3题7-1图例7－1图7-31为一单稳辨向电路，输入信号A、B为相位差90的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A导前B90、B导前A90的情况，画出A、Uo1、Uo2的波形。可见，当A导前B90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。••o2•ABABAUO1UO2ABABAUO1UO2xi-xFxF比较器FKsxo-+N∫xi第二节平衡补偿式细分平衡式细分原理图FxxK1ioF闭环系统的灵敏度一、相位跟踪细分1．原理uj=umsin(t+j)um、——载波信号的振幅和角频率；j——调制相移角，j通常与被测位移x成正比，j=2x/W，W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)dj-d移相脉冲相位跟踪细分框图2.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&&&&&UcUjUdDG1UcUjDG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题图:鉴相电路a)电路图b)正向波形图c)反向波形图UdUX&&&&&UcUjUdDG1UcUjDG2DG3DG4DG5FXFXUj′Ud′RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)图: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图:加减脉冲改变d原理图a)时钟脉冲b)正常分频c)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UcMs去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&f0Fx图:相对相位基准与移相脉冲4．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nWfVnWfV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π2四、频率跟踪细分——锁相倍频细鉴相器环路滤波器压控振荡器n分频器fifofo/nUc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发生变化后，为使fo/n能跟踪fi的变化，必须要求压控振荡器的控制电压Uc发生变化，也就是说fi与fo/n之间存在不同的相位差，这就是跟踪误差。优点:结构较简单，易于实现高的细分数，对信号失真度无严格要求。缺点:对输入信号的角频率的稳定性要求高，而且输入信号只有一个，不能辨向，主要用于回转部件的角度与传动比等的测量，这时比较容易保持fi接近恒定。