細分與辮向電路

1、 第五章第五章 細分與辮向電路細分與辮向電路 20132013年年5 5月月 內容內容 一、細分電路的作用、類型和指標一、細分電路的作用、類型和指標 二、直傳式細分電路二、直傳式細分電路 三、平衡補償式細分電路三、平衡補償式細分電路 一、細分電路的作用、類型和指標一、細分電路的作用、類型和指標 作用：提高儀器的分辨力作用：提高儀器的分辨力 u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，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， 在一個周期內進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的在一個周期內進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的 更高的分辨力。更高的分辨力。 u由于位移傳感器一般允許在

2、正、反兩個方向移動，在進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。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。 類型：類型： l直傳式細分電路、平衡補償式細分電路直傳式細分電路、平衡補償式細分電路 l調制信號細分、非調制信號細分調制信號細分、非調制信號細分 指標：指標： l倍數(shù)倍數(shù) l精度精度 l速度速度 光電增量編碼器原理光電增量編碼器原理 轉動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個轉動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個 碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多 少

3、縫隙每轉過一周就將有多少個相差少縫隙每轉過一周就將有多少個相差9090的兩相（的兩相（A A、B B 兩路）脈沖脈沖和一個零位兩路）脈沖脈沖和一個零位( (C C相相) )脈沖輸出。增量編碼脈沖輸出。增量編碼 器的精度和分辨率主要取決于碼盤本身的精度。器的精度和分辨率主要取決于碼盤本身的精度。 二、直傳式細分電路二、直傳式細分電路 1 1、直傳式細分電路的原理及特點、直傳式細分電路的原理及特點 2 2、位置直接四倍頻細分、位置直接四倍頻細分 3 3、電阻鏈分相細分、電阻鏈分相細分 4 4、計算機細分、計算機細分 5 5、只讀存儲器細分、只讀存儲器細分 1、直傳式細分電路的原理及特點、直傳式細分

4、電路的原理及特點 精度低精度低 結構簡單、速度快結構簡單、速度快 倍數(shù)較低倍數(shù)較低 SIN 、COS或或90度方波度方波 脈沖、模擬信號或數(shù)字信號脈沖、模擬信號或數(shù)字信號 波形變換、比較器、波形變換、比較器、AD、數(shù)字電路數(shù)字電路 xi x1 xo K1 K2 Km x1 x2 l以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋； l若要讀出位移為若要讀出位移為0.10.1m m，要求每毫米到線要求每毫米到線1 1萬條萬條 l直接四倍頻細分法。直接四倍頻細分法。 2、位置直接四倍頻細分、位置直接四倍頻細分 細分細分 辨向辨向 位置直接細分特點位置直

5、接細分特點 由于受空間位置的限制，光電傳感器的數(shù)目不由于受空間位置的限制，光電傳感器的數(shù)目不 能太多，位置直接細分的細分倍數(shù)較小。能太多，位置直接細分的細分倍數(shù)較小。 通過位置直接細分可以得到通過位置直接細分可以得到4 4路相差路相差9090O O的方波的方波 信號，可以進一步用于其它細分電路或辨向電信號，可以進一步用于其它細分電路或辨向電 路。路。 單穩(wěn)四細分辨向原理單穩(wěn)四細分辨向原理 1 反向反向 正向正向 D觸發(fā)器辨向觸發(fā)器辨向 QA740210QA740210是奎克半導體是奎克半導體( (北京北京) )有限公司生產(chǎn)的微分型有限公司生產(chǎn)的微分型 四倍頻專用集成電路。四倍頻專用集成電路。Q

6、A740210QA740210可將兩路正交的方波可將兩路正交的方波 信號進行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計數(shù)信號，可送加信號進行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計數(shù)信號，可送加 減計數(shù)輸入雙時鐘可逆計數(shù)器進行加、減計數(shù)。減計數(shù)輸入雙時鐘可逆計數(shù)器進行加、減計數(shù)。 集成四細分辨向電路集成四細分辨向電路- QA740210 - QA740210 集成四細分辨向電路集成四細分辨向電路- HP:HCTL-20XX- HP:HCTL-20XX系列系列 CLK CK 數(shù)字 濾波器 施密特 觸發(fā)器 CH A CH 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 Q

7、0-Q7 Q0-Q11,15 D0-D11,15 INH 12/16位 鎖存器 B0-B7 A0-A7 SEL OE 8 88 D 0 - D7 細分脈沖 計數(shù)方向 級聯(lián)脈沖 U/D CNTCAS HCTL-2020具有的功能 多路切換器 三態(tài)緩沖器 SEL OE 禁止邏輯 *HCTL-2000中A4-A7接地 CNTDECR CPLDCPLD和和FPGAFPGA實現(xiàn)細分和辨向功能實現(xiàn)細分和辨向功能 3 3、電阻鏈分相細分、電阻鏈分相細分 模擬信號的細分模擬信號的細分 12 sin,cosuEt uEt 21 0 1212 sincosR EtR Et u RRRR 22 12 1 122 ,

8、arctan() om E RRR U RRR sin() oom uUt sinEt sinEt cosEt cosEt cosEt sinEt sinEt cosEt u1 u2uo u2 R1 R2 uo u1 21 1 RR ER 21 2 RR ER 電阻鏈電阻鏈5 5倍頻細分電路倍頻細分電路 異或波形異或波形 電阻鏈細分特點電阻鏈細分特點 優(yōu)點:具有良好的動態(tài)特性,應用廣泛 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。 4 4、計算機細分、計算機細分 辨向 電路 可逆 計數(shù)器 數(shù)字 計算機 Acos 過零 比較器 /#

9、 /# 顯示電路 Asin 1 2 3 4 5 6 7 8 u1 u2 1、4、5、8卦限 1 2 sin tan cos Atu t Atu 2、3、6、7卦限 2 1 cos cot sin Atu t Atu 判別卦限判別卦限 查表查表 整周期的計數(shù) 計算機細分特點計算機細分特點 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， 通過修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高通過修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高 的細分數(shù)的細分數(shù),但受信號質量影響。但受信號質量影響。 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

10、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。 三、平衡補償式細分電路三、平衡補償式細分電路 1 1、平衡補償式細分原理、特點、平衡補償式細分原理、特點 2 2、感應同步器介紹、感應同步器介紹 3 3、相位跟蹤細分電路、相位跟蹤細分電路 4 4、頻率跟蹤細分電路、頻率跟蹤細分電路-鎖相倍頻細分電路鎖相倍頻細分電路 1 1、平衡補償式細分原理、特點、平衡補償式細分原理、特點 帶負反饋閉環(huán)系統(tǒng)帶負反饋閉環(huán)系統(tǒng) 系統(tǒng)平衡時：系統(tǒng)平衡時：X X0 0=X=XF F/F K/F KF F=1/F=1/F 響應速度低、精度高穩(wěn)定、細分數(shù)大響應速度低、精度高穩(wěn)定、細分數(shù)大 長度、角

11、度、長度、角度、 幅值、相位、幅值、相位、 頻率頻率 脈沖數(shù)脈沖數(shù) xi- xF xF 比較器 F Ks xo -+ N xi 比較器門檻（分辨力）決定系統(tǒng)的分辨力比較器門檻（分辨力）決定系統(tǒng)的分辨力 n 感應同步器基本原理是利用電磁耦合效應，將位移或轉角轉化成 電信號的位置檢測裝置。 n 感應同步器按其運動形式和結構的不同，可分為旋轉式感應同步 器（圓感應同步器）和直線式感應同步器。圓感應同步器用來檢 測轉角位移，用于精密轉臺，各種回轉伺服系統(tǒng)；直線式感應同 步器用來檢測直線位移，用于大型和精密機床的自動定位，位移 數(shù)字顯示和數(shù)控系統(tǒng)等。 2 2、感應同步器介紹、感應同步器介紹 n 感應同步

12、器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺與滑尺平行安裝，且 保持一定間隙（0.250.05mm）。 n 定尺表面制有連續(xù)平面繞組，在滑尺上制有兩組分段繞組，分別 稱為正弦繞組和余弦繞組，這兩段繞組和定尺上繞組的節(jié)距相等， 且在空間錯開1/4的節(jié)距（90O相角）。 n 如果在定尺和滑尺其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁 耦合效應，在另一種繞組上就會產(chǎn)生相同頻率的感應電動勢，且 隨定尺與滑尺的相對位置不同而變化。通過對感應電動勢檢測處 理，便可測量出直線位移量. n 感應同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、壽命長、 維護簡單、測量范圍大、成本較低等優(yōu)點。廣泛地應用于三坐標 測量機、機床、儀器轉

13、臺及測量裝置等。 感應同步器不同勵磁方式 n A鑒相方式鑒相方式 l滑尺雙相勵磁滑尺雙相勵磁 定尺單相輸出定尺單相輸出 m sin s uUt正弦繞組加勵磁電壓正弦繞組加勵磁電壓 定尺繞組感應電動勢定尺繞組感應電動勢 sm 2 sincos x ekUt W 余弦繞組加勵磁電壓余弦繞組加勵磁電壓 m cos c uUt 定尺繞組感應電動勢定尺繞組感應電動勢 cm 2 cossin x ekUt W 定尺繞組總感應電動勢為定尺繞組總感應電動勢為 smmmj 22 sincoscossinsin() c xx e eekUt kUt kUt WW j 2 /x W 感應電動勢的相位角感應電動勢的相

14、位角 感應同步器不同勵磁方式 n A鑒相方式鑒相方式 l定尺單相勵磁定尺單相勵磁 滑尺輸出滑尺輸出 定尺加勵磁電壓定尺加勵磁電壓 正弦繞組和余弦繞組感應電動勢為正弦繞組和余弦繞組感應電動勢為 若移相若移相9090 合成感應電動勢合成感應電動勢 m cosuUt mj mj sincos sinsin s c ekUt ekUt mj cossin c ekUt mj sin()ekUt 感應同步器不同勵磁方式 n B鑒幅方式鑒幅方式 l滑尺雙相勵磁滑尺雙相勵磁 定尺單相輸出定尺單相輸出 正弦繞組加勵磁電壓正弦繞組加勵磁電壓 定尺繞組感應電動勢定尺繞組感應電動勢 余弦繞組加勵磁電壓余弦繞組加勵磁

15、電壓 定尺繞組感應電動勢定尺繞組感應電動勢 定尺繞組總感應電動勢為定尺繞組總感應電動勢為 ss sinuUt ss 2 sincos x ekUt W c sin c uUt cc 2 coscos x ekUt W sc 22 cos(sincos) sc xx eeekt UU WW smd cosuU cmd sinuU ， 勵磁電壓的電相角 mddmxd 22 cos(cossinsincos)cossin() xx e kUtkUt WW 位移角 感應同步器不同勵磁方式 n C脈沖調寬鑒幅方式脈沖調寬鑒幅方式 l滑尺滑尺非對稱波非對稱波勵磁勵磁 定尺定尺輸出輸出 正弦繞組加勵磁電壓正

16、弦繞組加勵磁電壓 基波分量在基波分量在定尺繞組感應電動勢定尺繞組感應電動勢 余弦繞組加勵磁電壓余弦繞組加勵磁電壓 mm sdd 1 2 sincos n UU unn t n mm cdd 1 2 ()sin ()cos 22 n UU unn t n 基波分量為基波分量為 s1md (2/ )sincosuUt c1md (2/)coscosuUt xd 2 sin()sin m U ekt l滑尺滑尺對稱波對稱波勵磁勵磁 定尺定尺輸出輸出 m xd 4 sin()sin U ekt 電動勢增大，減小了偶次諧波分量，容易濾波得到基波分量電動勢增大，減小了偶次諧波分量，容易濾波得到基波分量 非

17、對稱波和對稱波非對稱波和對稱波 3 3、相位跟蹤細分電路、相位跟蹤細分電路 u相位直接細分相位直接細分 u相位跟蹤細分相位跟蹤細分 滑尺雙相勵磁相位跟蹤細分原理框圖滑尺雙相勵磁相位跟蹤細分原理框圖 =2X/W m sin s uUt m cos c uUt 位移角 數(shù)字相角 反饋環(huán)節(jié)，細分環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)，細分環(huán)節(jié) l正交方波產(chǎn)生電路正交方波產(chǎn)生電路 l鑒相電路鑒相電路 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 后關系，以確定滑尺移 動方向，也就是辨向 Ud UX & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uc Uj DG2 D

18、G3 DG4 DG5 FX FX a) Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx b)c) 正向波形圖反向波形圖 l有門檻鑒相電路有門檻鑒相電路 正向波形圖反向波形圖 l脈沖移相電路脈沖移相電路 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 當當 相位差小于鑒相門檻時相位差小于鑒相門檻時 , , 的頻率等于感應同步器勵磁信號和輸出信的頻率等于感應同步器勵磁信號和輸出信 號的頻率號的頻率。 n 當當 相位差大于鑒相門檻時，脈寬信號相位差大于鑒相門檻時，脈寬信號M M有正脈沖輸出，當

19、感應同步器滑尺有正脈沖輸出，當感應同步器滑尺 相對于定尺正向運動時，相對于定尺正向運動時， 超前超前 ，方向信號，方向信號F F為高電平。為高電平。 的相位的相位 前移，前移， 跟蹤跟蹤 。 n 當相位差大于鑒相門檻時，脈寬信號當相位差大于鑒相門檻時，脈寬信號M M有正脈沖輸出，當感應同步器滑尺相對有正脈沖輸出，當感應同步器滑尺相對 于定尺反向運動時，于定尺反向運動時， 滯后滯后 ，方向信號，方向信號F F為低電平。為低電平。 的相位的相位 滯后滯后，跟，跟 蹤蹤 。 j d d u j d j d d u d j j d d u d j l跟蹤速度跟蹤速度-靜態(tài)測量速度靜態(tài)測量速度 Wj=2 (f+v/w)Wd=2 f 若f=2K W=2mm v34m/min n當感應同步器滑尺相對于定尺反向運動時，補償速度快當感應同步器滑尺相對于定尺反向運動時，補償速度快 n當感應同步器滑尺相對于定尺正向運動時當感應同步器滑尺相對于定尺正向運動時 ，補償速度慢，每次只能跟，補償速度慢，每次只能跟 蹤一半的相位差蹤一半的相位差 ，當移動速度太快時可能使累計相位差超過鑒相器的鑒，當移動速度太快時可能使累計相位差超過鑒相器的鑒 相范圍（相范圍（/2/2），丟失整個節(jié)距