第6章信號(hào)細(xì)分與辨向電路

1、第六章第六章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路n概述概述n第一節(jié)第一節(jié) 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路n第二節(jié)第二節(jié) 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 n信號(hào)細(xì)分電路概念： 信號(hào)細(xì)分電路又稱(chēng)插補(bǔ)器，是采用電路的手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。辨力。概述概述n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)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)固定位移周期就對(duì)應(yīng)著空間上一個(gè)固定位移量。量。概述概述n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)信

2、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。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。概述概述概述概述n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： 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)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向的問(wèn)題。概述概述分類(lèi)：分類(lèi)：n按工作原理，可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。n按所處理的信號(hào)可分為調(diào)制信號(hào)細(xì)分電路和非調(diào)制信號(hào)細(xì)分電路。概述概述xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2Ks=K1K2K3Km 圖7-1第一節(jié)第一

3、節(jié) 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路n由于由于Ks的變化和的變化和 xj的存在會(huì)使達(dá)到相同的存在會(huì)使達(dá)到相同xo所需的所需的xi值發(fā)生變化，即使細(xì)分點(diǎn)的位值發(fā)生變化，即使細(xì)分點(diǎn)的位置發(fā)生變化。置發(fā)生變化。 mjjjxKxKx1sisoKsj xo對(duì)xj的靈敏度, Ksj=Kj+1Km n缺點(diǎn)：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精缺點(diǎn)：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。 n優(yōu)點(diǎn)：直傳系統(tǒng)沒(méi)有反饋比較過(guò)程，電優(yōu)點(diǎn)：直傳系統(tǒng)沒(méi)有反饋比較過(guò)程，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，有著廣泛的路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 n典型的細(xì)分電路典型的細(xì)分電路 四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨

4、向電路 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨向電路n輸入信號(hào)：具有一定相位差輸入信號(hào)：具有一定相位差(通常為通常為90 )的的兩路方波信號(hào)。兩路方波信號(hào)。n細(xì)分的原理：基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)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(guò)對(duì)邊具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過(guò)對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分n辨向：根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯辨向：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)后的關(guān)系作為判別依據(jù) 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 n原理：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的

5、邊原理：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分圖7-2 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1ABABUo1Uo2ABABUo1Uo2a) b)圖73 HCTL-20XX系列四細(xì)分辨向電路系列四細(xì)分辨向電路 圖7-4 HCTL-20XX系列集成電路細(xì)分原理圖 CLKCK 數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器CH ACH B計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向Q0-Q11,15 四細(xì)分辨向電路 12/16位可逆計(jì)數(shù)器Q0-Q7Q

6、0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位 鎖存器B0-B7A0-A7 SEL OE888D0-D7細(xì)分脈沖計(jì)數(shù)方向級(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦模擬信號(hào)的細(xì)分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦模擬信號(hào)的細(xì)分 n工作原理：將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈工作原理：將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)脈沖形成后，就能在正

7、余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分1. 原理原理 u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER212RRER設(shè)電阻鏈由電阻設(shè)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 圖7-5 電阻鏈分相細(xì)分a) 原理圖 b) 矢量圖 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分圖7-636o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18

8、k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-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(xì)分電路頻細(xì)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(diǎn)具有不同的觸發(fā)使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點(diǎn)具有不同的觸發(fā)電平，這個(gè)電平差稱(chēng)為回差電壓。讓回差電壓電平，這個(gè)電平差稱(chēng)為回差電壓。讓回差電壓大于信號(hào)中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)大于信號(hào)中的

9、噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點(diǎn)附近因噪聲來(lái)回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干點(diǎn)附近因噪聲來(lái)回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點(diǎn)不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，發(fā)點(diǎn)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(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩因此回差電壓的選取應(yīng)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(xì)分電阻鏈分相細(xì)分1231311131211356481098104 Esint圖 7.7n優(yōu)點(diǎn): 具有良好的動(dòng)態(tài)特性,應(yīng)用廣泛n缺點(diǎn): 細(xì)分?jǐn)?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(fù)雜，因此電阻鏈細(xì)分主

10、要用于細(xì)分?jǐn)?shù)不高的場(chǎng)合。電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分原始正交信號(hào)原始正交信號(hào)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(jì)數(shù)器數(shù)字計(jì)算機(jī)Acos 過(guò)零比較器/#/# 顯示電路Asin圖7-8 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 a） 電路原理圖 b） 卦限圖a)b)微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 卦限u1的極性u(píng)2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(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分n優(yōu)點(diǎn)：利用判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，優(yōu)點(diǎn)：利用判別

11、卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，相對(duì)來(lái)說(shuō)減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直相對(duì)來(lái)說(shuō)減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直接算反函數(shù)或，要化更多的時(shí)間；通過(guò)接算反函數(shù)或，要化更多的時(shí)間；通過(guò)修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)。n缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟件查表，細(xì)分速度慢，主要用于輸入信件查表，細(xì)分速度慢，主要用于輸入信號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 只讀存儲(chǔ)器減計(jì)數(shù)鎖存器周期計(jì)數(shù)器邏輯控制器AsinAcosXY細(xì)分鎖存器加減信號(hào)發(fā)生 器加/#/#D0D6D7D8D9.圖7-9 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分原理

12、圖 0 128 255XY255128 圖7-10 模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)角度的關(guān)系 )128(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(bǔ)償式細(xì)分平衡補(bǔ)償式細(xì)分 圖7-11 平衡式細(xì)分原理圖 FxxK1ioF閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度一、相位跟蹤細(xì)分一、相位跟蹤細(xì)分 n1 原理原理 uj=umsin( t+ j) （7-9） um、 載波信號(hào)的振幅和角頻率；載波信號(hào)的振幅和角頻率； j調(diào)制相移角，調(diào)制相移角

13、， j通常與被測(cè)位移通常與被測(cè)位移x成正比，成正比， j=2 x/W，W為標(biāo)尺節(jié)距為標(biāo)尺節(jié)距。鑒相電路移位脈沖門(mén) 相對(duì)相位基準(zhǔn)分頻器顯示電路放大整形umsin(t+j)dj-d移相脈沖圖712相位跟蹤細(xì)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(hào)j-d是否超過(guò)門(mén)檻；n 輸出與偏差信號(hào)相對(duì)應(yīng)的方波脈寬信號(hào)n確定j與d的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動(dòng)方向，也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鑒相電路沒(méi)有門(mén)檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)附近振擺跟蹤的

14、問(wèn)題 圖13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 DG2DG3DG4DG5FXFXUj Ud RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)圖7-14 有門(mén)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(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門(mén)相對(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門(mén) 圖7-15 加減脈沖改變d 原理圖 a) 時(shí)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(duì)相位基準(zhǔn)移相脈沖門(mén) Uc Ms去數(shù)顯電

15、路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx 圖7-16 相對(duì)相位基準(zhǔn)與移相脈沖 4測(cè)量速度測(cè)量速度 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)（指在部件移動(dòng)過(guò)程中就要讀出它的位移），為使測(cè)量速度引起的誤差不超過(guò)一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，就要求在一個(gè)載波周期內(nèi)相位角的變化不超過(guò)一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，即 或 (7-10)nWfVnWfV 式中，V為測(cè)量速度；f為載波信號(hào)頻率；n為細(xì)分?jǐn)?shù)；W為標(biāo)尺節(jié)距。 VfWV2 (7-11)四、頻率跟蹤細(xì)分四、頻率跟蹤細(xì)分鎖相倍頻細(xì)鎖相倍頻細(xì)鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器n分頻器 fifofo/nUc圖7-29 鎖相倍頻細(xì)分原理圖 此系統(tǒng)由四個(gè)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(duì)輸入信號(hào)的角頻率的穩(wěn)定性要求相當(dāng)高，它能夠?qū)斎胄盘?hào)相位變化進(jìn)行跟蹤，但它是一個(gè)有差系統(tǒng)，當(dāng)fi發(fā)生變化后，為使fo/n能跟蹤fi的變化，必須要求壓控振蕩器的控制電壓Uc發(fā)生變化，也就是說(shuō)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(diǎn): 結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)，對(duì)信號(hào)失真度無(wú)嚴(yán)格要求。n 缺點(diǎn): 對(duì)輸入信號(hào)的角頻率的穩(wěn)定性要求高，而且輸入信號(hào)只有一個(gè)，不能辨向，主要用于回轉(zhuǎn)部件的角度與傳動(dòng)比等的測(cè)量，這時(shí)比較容易保持fi接近恒定。 作業(yè):7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 圖圖7-31為一單穩(wěn)