1、第七章第七章 信號細分與辨向電路信號細分與辨向電路n概述概述n第一節(jié)第一節(jié) 直傳式細分電路直傳式細分電路n第二節(jié)第二節(jié) 平衡補償式細分電路平衡補償式細分電路 n信號細分電路概念： 信號細分電路又稱插補器，是采用電路的手是采用電路的手段對周期性的測量信號進行插值提高儀器分段對周期性的測量信號進行插值提高儀器分辨力。辨力。概述概述n信號的共同特點：信號的共同特點： 信號具有周期性，信號每變化一個信號具有周期性，信號每變化一個周期就對應著空間上一個固定位移周期就對應著空間上一個固定位移量。量。概述概述n電路細分原因：電路細分原因： 測量電路通常采用對信號周期進行計數(shù)的方法實現(xiàn)對位移的測量，若單純對信

2、號的周期進行計數(shù), 則儀器的分辨力就是一個信號周期所對應的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細分電路。概述概述概述概述n細分的基本原理：細分的基本原理： 根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力。辨向： 由于位移傳感器一般允許在正、反兩個方向移動，在進行計數(shù)和細分電路的設計時往往要綜合考慮辨向的問題。概述概述分類：分類：n按工作原理，可分為直傳式細分和平衡補償式細分。n按所處理的信號可分為調(diào)制信號細分電路和非調(diào)制信號細分電路。概述概述xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2Ks=K1K2K3Km 第一節(jié)第一節(jié) 直傳

3、式細分電路直傳式細分電路n由于由于Ks的變化和的變化和 xj的存在會使達到相同的存在會使達到相同xo所需的所需的xi值發(fā)生變化，即使細分點的位值發(fā)生變化，即使細分點的位置發(fā)生變化。置發(fā)生變化。 mjjjxKxKx1sisoKsj xo對xj的靈敏度, Ksj=Kj+1Km n缺點：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精缺點：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平衡補償系統(tǒng)。度低于平衡補償系統(tǒng)。 n優(yōu)點：直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電優(yōu)點：直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快，有著廣泛的路結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快，有著廣泛的應用。應用。 n典型的細分電路典型的細分電路 四細分辨向電路四細分辨向電路

4、電阻鏈分相細分電阻鏈分相細分 微型計算機細分微型計算機細分 只讀存儲器細分只讀存儲器細分 四細分辨向電路四細分辨向電路n輸入信號：具有一定相位差輸入信號：具有一定相位差(通常為通常為90 )的的兩路方波信號。兩路方波信號。n細分的原理：基于兩路方波在一個周期內(nèi)細分的原理：基于兩路方波在一個周期內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊沿的處理實現(xiàn)四細分沿的處理實現(xiàn)四細分n辨向：根據(jù)兩路方波相位的相對導前和滯辨向：根據(jù)兩路方波相位的相對導前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)后的關(guān)系作為判別依據(jù) 單穩(wěn)四細分辨向電路單穩(wěn)四細分辨向電路 n原理：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊原理：

5、利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分沿實現(xiàn)四細分單穩(wěn)四細分辨向電路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1ABABUo1Uo2ABABUo1Uo2a) b) HCTL-20XX系列四細分辨向電路系列四細分辨向電路 HCTL-20XX系列集成電路細分原理圖 CLKCK 數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器CH ACH B計數(shù)脈沖計數(shù)方向計數(shù)脈沖計數(shù)方向Q0-Q11,15 四細分辨向電路 12/16位可逆計數(shù)器Q0-Q7Q0-Q11,15D0-D11,15

6、INH12/16位 鎖存器B0-B7A0-A7 SEL OE888D0-D7細分脈沖計數(shù)方向級聯(lián)脈沖 U/D CNTCASHCTL-2020具有的功能多路切換器三態(tài)緩沖器SELOE禁止邏輯*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECRn主要實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細分主要實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細分 n工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點上得到幅值和相兩端，在電阻鏈的接點上得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈

7、沖，實現(xiàn)細分周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分 電阻鏈分相細分電阻鏈分相細分1. 原理原理 u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER212RRER設電阻鏈由電阻設電阻鏈由電阻R1和和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓交流電壓u1、u2，其中，其中，u1=Esin t，u2=Ecos t 電阻鏈分相細分a) 原理圖 b) 矢量圖 電阻鏈分相細分電阻鏈分相細分36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k1235641312119810

8、65411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= = 1= = 1= = 1= = 1= = 123= = 1= = 1= = 1UR2. 電阻鏈五倍電阻鏈五倍頻細分電路頻細分電路 電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)電平，這個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓電平，這個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回

9、差電壓越大，抗干點附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強。但回差電壓的存在使比較器的觸擾能力越強。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，發(fā)點不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應該兼顧抗干擾和精度兩因此回差電壓的選取應該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。方面的因素。 電阻鏈分相細分電阻鏈分相細分1231311131211356481098104 Esintn優(yōu)點: 具有良好的動態(tài)特性,應用廣泛n缺點: 細分數(shù)越高所需的元器件數(shù)目也成比例地增加，使電路變得復雜，因此電阻鏈細分主要用于細分數(shù)不高的場合。電阻鏈分相細分電阻鏈分相細分原始正交信

10、號原始正交信號u1=Asin 和和u2=Acos 作為輸入作為輸入 1 2 3 4 5 6 7 8u1u2辨向電路可逆計數(shù)器數(shù)字計算機Acos 過零比較器/#/# 顯示電路Asin微型計算機細分 a） 電路原理圖 b） 卦限圖a)b)微型計算機細分微型計算機細分 卦限u1的極性u2的極性|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|微型計算機細分微型計算機細分n優(yōu)點：利用判別卦限和查表實現(xiàn)細分，優(yōu)點：利用判別卦限和查表實現(xiàn)細分，相對來說減少了計算機運算時間，若直相對來說減少了計算

11、機運算時間，若直接算反函數(shù)或，要化更多的時間；通過接算反函數(shù)或，要化更多的時間；通過修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高的細修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高的細分數(shù)。分數(shù)。n缺點：這種細分方法由于還需要進行軟缺點：這種細分方法由于還需要進行軟件查表，細分速度慢，主要用于輸入信件查表，細分速度慢，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。號頻率不高或靜態(tài)測量中。只讀存儲器細分只讀存儲器細分 只讀存儲器減計數(shù)鎖存器周期計數(shù)器邏輯控制器AsinAcosXY細分鎖存器加減信號發(fā)生 器加/#/#D0D6D7D8D9.只讀存儲器細分原理圖 0 128 255XY255128 模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應角度的關(guān)系 )128(

12、128128arctg)128,128(23)128,128(2)128,128(128128arctg2)128,128(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY xi- xF xF比較器F Ksxo-+Nxi第二節(jié)第二節(jié) 平衡補償式細分平衡補償式細分 平衡式細分原理圖 FxxK1ioF閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度一、相位跟蹤細分一、相位跟蹤細分 n1 原理原理 uj=umsin( t+ j) um、 載波信號的振幅和角頻率；載波信號的振幅和角頻率； j調(diào)制相移角，調(diào)制相移角， j通常與被測位移通常與被測位移x成正比，成正比， j=2 x/W，W為標尺節(jié)距為標尺節(jié)距。鑒相電路移位脈沖門 相對

13、相位基準分頻器顯示電路放大整形umsin(t+j)dj-d移相脈沖相位跟蹤細分框圖 2. 鑒相電路鑒相電路鑒相電路要做三方面的工作：n 確定偏差信號j-d是否超過門檻；n 輸出與偏差信號相對應的方波脈寬信號n確定j與d的導前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動方向，也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鑒相電路沒有門檻，會有在平衡點附近振擺跟蹤的問題 鑒相電路a) 電路圖 b) 正向波形圖 c) 反向波形圖 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG

14、3DG4DG5FXFXUj Ud RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)有門檻的鑒相電路a) 電路圖 b) 正向波形圖 c) 反向波形圖 3. 相對相位基準和移相脈沖門相對相位基準和移相脈沖門 加減脈沖改變d 原理圖 a) 時鐘脈沖b) 正常分頻c) 減脈沖d) 使d延后e) 加脈沖f) 使d前移減脈沖加脈沖n/4分頻器二分頻器 Uxn/2分頻器相對相位基準移相脈沖門 Uc Ms去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx 相對相位基準與移相脈沖 4測量速度測量速度 動態(tài)測量時（指在部件移動過程中就要讀出

15、它的位移），為使測量速度引起的誤差不超過一個細分脈沖當量，就要求在一個載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個細分脈沖當量，即 或 (7-10)nWfVnWfV 式中，V為測量速度；f為載波信號頻率；n為細分數(shù)；W為標尺節(jié)距。 VfWV2四、頻率跟蹤細分四、頻率跟蹤細分鎖相倍頻細鎖相倍頻細鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器n分頻器 fifofo/nUc鎖相倍頻細分原理圖 此系統(tǒng)由四個主要部件鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和n分頻器組成。n跟蹤誤差: 鎖相倍頻器對輸入信號的角頻率的穩(wěn)定性要求相當高，它能夠?qū)斎胄盘栂辔蛔兓M行跟蹤，但它是一個有差系統(tǒng)，當fi發(fā)生變化后，為使fo/n能跟蹤fi的變化，必須要求壓控

16、振蕩器的控制電壓Uc發(fā)生變化，也就是說fi與fo/n之間存在不同的相位差，這就是跟蹤誤差。n優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)較簡單，易于實現(xiàn)高的細分數(shù)，對信號失真度無嚴格要求。n 缺點: 對輸入信號的角頻率的穩(wěn)定性要求高，而且輸入信號只有一個，不能辨向，主要用于回轉(zhuǎn)部件的角度與傳動比等的測量，這時比較容易保持fi接近恒定。 下圖為一單穩(wěn)辨向電路，輸入信號下圖為一單穩(wěn)辨向電路，輸入信號A、B為相為相位差位差90 的方波信號，分析其辨向原理，并分的方波信號，分析其辨向原理，并分別就別就A導前導前B 90 、B導前導前A 90 的情況，畫出的情況，畫出A 、Uo1、Uo2的波形的波形。 DG5DG1ACARB Uo1

17、Uo2 &1&DG4&1DG2DG3習題7-1當A導前B 90時，Uo1有輸出，Uo2無輸出，當B導前A 90時，Uo1無輸出，Uo2有輸出，實現(xiàn)辨向。 ABAUo1Uo2AB AUo1Uo2AABB7-3 若測得待細分的正余弦信號某時刻值為若測得待細分的正余弦信號某時刻值為u1=2.65V, u2=-1.33V，采用微機對信號進行采用微機對信號進行200細分，請判別其所屬細分，請判別其所屬卦限，并求出對應的卦限，并求出對應的 值和值和k值。值。 某時刻正弦信號值為某時刻正弦信號值為u1=2.65V, 余弦信號值為余弦信號值為 u2=-1.33V，根據(jù)兩信號的極性（根據(jù)

18、兩信號的極性（u1為為+、u2為為-）和絕對值大?。┖徒^對值大?。▅u1|u2|），），可判別出信號在可判別出信號在3卦限。卦限。 由于對信號進行由于對信號進行200細分，因此在一個卦限內(nèi)，需實現(xiàn)細分，因此在一個卦限內(nèi)，需實現(xiàn)25細分。在細分。在3卦限用卦限用|ctg |56. 233. 1sincosctg12uuAA因此對應的因此對應的 =26.65，由于，由于26.65/1.8=14.81，所以，所以k=15。7-4 在圖在圖7-14所示只讀存儲器所示只讀存儲器256細分電路中，請計算細分電路中，請計算第第A000(十六進制十六進制)單元的存儲值。單元的存儲值。 A000(十六進制十六進制)對應的二進制為對應的二進制為1010000000000000，即，即X=10100000、Y=00000000，對應十進制對應十進制X=160、Y=0， 由下式由下式)128,128(128128arctg2YXXY可得