測(cè)控電路信細(xì)分與辨向電路課件

1、中國計(jì)量學(xué)院中國計(jì)量學(xué)院第七章第七章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路測(cè)控電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路課件信號(hào)細(xì)分電路概念：信號(hào)細(xì)分電路概念： 信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值提高儀器分辨力。提高儀器分辨力。信號(hào)的共同特點(diǎn)：信號(hào)的共同特點(diǎn)： 信號(hào)具有周期性，信號(hào)每變化一個(gè)周期就對(duì)應(yīng)著空間上一個(gè)固定位移量。信號(hào)具有周期性，信號(hào)每變化一個(gè)周期就對(duì)應(yīng)著空間上一個(gè)固定位移量。電路細(xì)分原因：電路細(xì)分原因： 測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的

2、方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù), 則儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了則儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。細(xì)分的基本原理：細(xì)分的基本原理： 根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。辨向：辨向： 由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的由于位移傳感器一

3、般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向的問題。設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向的問題。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌7.1 7.1 直傳式細(xì)分直傳式細(xì)分細(xì)分電路細(xì)分電路直傳式細(xì)分直傳式細(xì)分平衡補(bǔ)償式細(xì)分：帶反饋，可實(shí)現(xiàn)高細(xì)分?jǐn)?shù)。平衡補(bǔ)償式細(xì)分：帶反饋，可實(shí)現(xiàn)高細(xì)分?jǐn)?shù)。xi x1 xo K1 K2 Km x2 x2 x1 K1、K2、 Km為各個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度為各個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度中間環(huán)節(jié)可能是波形變換電路、比較器或中間環(huán)節(jié)可能是波形變換電路、比較器或D/A等等。等等?？偟撵`敏度：總的靈敏度：Ks=K1K2Km直傳式系統(tǒng)抗干擾能力差，精度低于平衡補(bǔ)償式，但是速度快，簡(jiǎn)單。直傳式系

4、統(tǒng)抗干擾能力差，精度低于平衡補(bǔ)償式，但是速度快，簡(jiǎn)單。越靠近輸入端，越要做的精細(xì)。越靠近輸入端，越要做的精細(xì)。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌一、四細(xì)分辨向電路一、四細(xì)分辨向電路要求：輸入兩路具有要求：輸入兩路具有90相位差的方波信號(hào)。相位差的方波信號(hào)。AB細(xì)分的原理細(xì)分的原理：基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過：基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。辨向辨向：根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。：根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。 原理原理：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)

5、分。：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。DG3R1&A1 1DG1C1A VIVo1Vo2Vo典型的積分式單穩(wěn)觸發(fā)器典型的積分式單穩(wěn)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)暫態(tài)暫態(tài)A在上邊沿的時(shí)候，進(jìn)入暫態(tài)，觸發(fā)在上邊沿的時(shí)候，進(jìn)入暫態(tài)，觸發(fā)一個(gè)在脈沖一個(gè)在脈沖A 穩(wěn)定時(shí)：穩(wěn)定時(shí)：VI=0，Vo1=1，Vo2=1，Vo=0上升沿來：上升沿來：VI=1，Vo1=0，Vo2=1，Vo=1電容電容C1開始通過電阻開始通過電阻R1放電，當(dāng)電阻兩端下放電，當(dāng)電阻兩端下降到降到VTH時(shí)，時(shí)，Vo=0，退出暫態(tài)。，退出暫態(tài)。閾值電平閾值電平計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌正向運(yùn)動(dòng)正向運(yùn)動(dòng)單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路第第1個(gè)過

6、程：個(gè)過程：A上升沿的時(shí)候，上升沿的時(shí)候，A產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。B=0，B=1，DG10、DG5為與或非門。為與或非門。Uo1有計(jì)數(shù)脈有計(jì)數(shù)脈沖輸出，沖輸出，Uo2無輸出。無輸出。A下降沿的時(shí)候，下降沿的時(shí)候，A產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。同樣，同樣， Uo1有計(jì)數(shù)脈沖輸出，有計(jì)數(shù)脈沖輸出，Uo2無輸出。無輸出。B上升沿的時(shí)候，上升沿的時(shí)候，B產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。同樣，同樣， Uo1有計(jì)數(shù)脈沖輸出，有計(jì)數(shù)脈沖輸出，Uo2無輸出。無輸出。B下降沿的時(shí)候，下降沿的時(shí)候，B產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖。同樣，同樣， Uo1有計(jì)數(shù)脈沖輸出，有計(jì)數(shù)脈沖輸出，Uo2無輸出。無

7、輸出。ABUo1在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，插入了四個(gè)為零的計(jì)數(shù)脈沖，在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，插入了四個(gè)為零的計(jì)數(shù)脈沖，Uo2一直為高電平。一直為高電平。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌反向運(yùn)動(dòng)反向運(yùn)動(dòng)反之：反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，反之：反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，B在在A的前面，這時(shí)在的前面，這時(shí)在Uo2中輸入了四個(gè)為零的計(jì)數(shù)脈沖，中輸入了四個(gè)為零的計(jì)數(shù)脈沖，Uo1無輸出，一直為高電平無輸出，一直為高電平DG5 Uo1DG10Uo2哪一個(gè)輸出關(guān)系著辨向哪一個(gè)輸出關(guān)系著辨向根據(jù)上述原理，已制成集成電路根據(jù)上述原理，已制成集成電路C5194、C5191計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌圖為一單穩(wěn)辨向電路，輸入信號(hào)A、B為相位差90的方波信號(hào)，分析其辨向原理，并分別

8、就A導(dǎo)前B 90、B導(dǎo)前A 90的情況，畫出A、Uo1、Uo2的波形。 BDG5DG1ACAR Uo1Uo2 &1&DG4&1DG2DG3可見，當(dāng)A導(dǎo)前B 90時(shí)，Uo1有輸出，Uo2無輸出，當(dāng)B導(dǎo)前A 90時(shí)，Uo1無輸出，Uo2有輸出，實(shí)現(xiàn)辨向。 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌二、電阻鏈分相細(xì)分二、電阻鏈分相細(xì)分要求信號(hào)為一對(duì)正余弦信號(hào)。要求信號(hào)為一對(duì)正余弦信號(hào)。一、工作原理一、工作原理 在電阻鏈兩端施加相位差在電阻鏈兩端施加相位差90，頻率相同的相位信號(hào)，由于兩信號(hào)的疊加作，頻率相同的相位信號(hào)，由于兩信號(hào)的疊加作用，在電阻鏈各接點(diǎn)上，可得幅值和相位都不相同的電信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)整形、用，在電阻鏈

9、各接點(diǎn)上，可得幅值和相位都不相同的電信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能獲得若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。脈沖形成后，就能獲得若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。圖圖7-5 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分a) 原理圖原理圖b) 矢量圖矢量圖tEusin1tEucos2根據(jù)疊加原理：根據(jù)疊加原理：211212cossinRRtERRRtERuouo的幅值：的幅值：uo的相位：的相位：212221RRRREuom21arctanRR)sin(tuuomo21RR相關(guān)相關(guān)uom21RR相關(guān)相關(guān)所以改變所以改變R1、R2比值，就能比值，就能改變改變、uom，uo是沿是沿u1、u2直直線運(yùn)動(dòng)，線運(yùn)動(dòng)， =45時(shí)，時(shí)，uom有有最小值。最

10、小值。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌這里講的的是這里講的的是0 09090第一象限的情況。第一象限的情況。同理：同理：cost-sint-sint-cost-costsintEsintEcost-Esint-Ecost0 09090移相移相9090180180移相移相180180270270移相移相270270360360移相移相21RR相關(guān)相關(guān)每一個(gè)臂上都是電位器，可以用來調(diào)整相位。每一個(gè)臂上都是電位器，可以用來調(diào)整相位。電阻并聯(lián)橋，在四個(gè)象限內(nèi)依次有一個(gè)相位差的電阻并聯(lián)橋，在四個(gè)象限內(nèi)依次有一個(gè)相位差的若干輸出電壓。若干輸出電壓。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌例：若采用這種移相橋?qū)崿F(xiàn)例：若采用這種移相

11、橋?qū)崿F(xiàn)12細(xì)分，所有的電位器電阻值均為細(xì)分，所有的電位器電阻值均為12K，計(jì)算第，計(jì)算第一象限的各電阻值分阻阻值。一象限的各電阻值分阻阻值。3012360每個(gè)象限內(nèi)相位差每個(gè)象限內(nèi)相位差3030arctan21RRKRR12210:0arctan21RRKRR1221R1=0 K，R2=12 K30:R1=4.39 K，R2=7.61 K60arctan21RRKRR122160:R1=7.61 K，R2=4.39 KEsintEcost-Esint-Ecost0 09090移相移相9090180180移相移相180180270270移相移相270270360360移相移相R1R2計(jì)量測(cè)試工程

12、學(xué)院 朱維斌經(jīng)電阻鏈細(xì)分后，各相信號(hào)仍是模擬信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，要把它們變換為邏輯經(jīng)電阻鏈細(xì)分后，各相信號(hào)仍是模擬信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，要把它們變換為邏輯“0”或或“1”電平，這項(xiàng)工作由電壓比較器完成。電平，這項(xiàng)工作由電壓比較器完成。左半部分是兩個(gè)區(qū)間的細(xì)分，右邊是比左半部分是兩個(gè)區(qū)間的細(xì)分，右邊是比較器（施密特比較器）。較器（施密特比較器）。設(shè)比較器輸出高、低電平電壓分別為設(shè)比較器輸出高、低電平電壓分別為UOH和和UOL。2122111RRRURRRUUoLR兩個(gè)門限電壓：兩個(gè)門限電壓：2122112RRRURRRUUoHR滯后電平：滯后電平：)(21212oLoHUURRRUUU計(jì)量測(cè)試工程

13、學(xué)院 朱維斌電阻鏈電阻鏈5倍頻細(xì)分電路倍頻細(xì)分電路從比較器得到的從比較器得到的10路方波信號(hào)再經(jīng)過異或門路方波信號(hào)再經(jīng)過異或門邏輯組合電路，在邏輯組合電路，在3和和4 端獲得兩路相位差端獲得兩路相位差為為90的五倍頻方波信號(hào)。注意：該的五倍頻方波信號(hào)。注意：該5倍頻倍頻信號(hào)正好滿足上述四細(xì)分電路對(duì)輸入信號(hào)的信號(hào)正好滿足上述四細(xì)分電路對(duì)輸入信號(hào)的要求。要求。計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌參照?qǐng)D7-6電阻鏈五倍頻細(xì)分電路的原理，設(shè)計(jì)一電阻鏈二倍頻細(xì)分電路。電阻鏈二倍頻細(xì)分電路如圖所示，其輸出A、B為相位差45的二路信號(hào)，它們的頻率是輸入信號(hào)頻率的二倍45o0o135o13A24B+N+N+N+N90o=1=1UR45o0o135o13A24B12kEsint-+N-+