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1、第7章 信号细分与辨向电路,概述,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。,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。,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。,细分的基本原理：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，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的分辨力。,辨向：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
2、细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。辨向电路的作用是判别测量运动方向或判别被测零件公差的正、负，并发出方向信号控制计数器计数做加或减运算，或平衡跟踪方向及显示符号的正、负。细分电路分类：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。细分的方法有机械细分、光学细分、电子细分和微机细分等。,数字式检测和计量仪器随着激光、光栅、磁栅感应同步器等技术的迅猛发展，数字式测量仪器也越来越多，特别是各种仪器电路与微机计算及处理技术紧密结合与应用，又促进了检测及计量仪器数字化。数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，能较好地解决量程与分辨率的矛盾。
3、易于集成化，抗干扰能力强，便于动态采样和记忆保存，便于与计算机联用。所以数字式检测及计量仪器得到广泛应用。,细分电路是精密计量仪器的重要组成部分，它的功用是提高仪器的分辨率，同时使测量信号数字化。,数字式检测和计量仪器的信息获取，主要采用感应同步器、计量光栅、磁栅、激光等做测量标尺，提取直线或角度位置的检测和计量信息。同时为了提高检测装置的分辨率和确定移动方向。常采用细分和变向电路，且使测量信号数字化及显示。,随着科学技术的发展，要求读数值越来越小，如果靠进一步减小测量标尺刻度来减小读数值，要受到工艺等因素限制。要使位移信号每变化一个周期不是计一个数，而是计若干数，就要采用细分技术。一个周期计
4、4个数叫4 细分。在4 细分情况下，栅距是4m的光栅，可达到1 m的分辨率。在设计仪器时，要根据实际情况扬长避短，合理分配光、机、电、细分数的比例，提高仪器总的技术经济指标。用电路来完成细分任务叫电子细分，是本节要讲述的内容。,直传式细分电路由若干环节串联而成。如下图所示。设细分电路的输入量为xi。系统末端为编码输出xo，中间环节中常有比较器，另一种中间环节完成信号的离散化和量化，这种环节称为细分机构。中间环节中还会有各种变换器。如波形变换器(正弦波变换为三角波等)，电信号参数变换器(相位差变换为脉宽等)。这些环节都依次向末端方向传递信息，这就是直传的意思。电路结构属于开环系统。总传函,7.1
5、 直传式细分电路,图7-1,由于个别环节灵敏度xj的变化，它势必引起系统总灵敏度的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量 xj时，都会引起输出量x的变化，这时有 式中 为由于 xj引起输出x变化的灵敏度。,显然，由于Ks的变化和 xj的存在会使达到相同的x所需的x j值发出变化，也即使细分点的位置发生变化。由于直传系统信号单向传递，越在前面的环节，其输入变动员所引起的x变动量越大，因而要保持系统的精度必须稳定各环节的灵敏度，减少各环节特别是靠近系统输入端的环节的输入误差。基于上述要求，直传系统的抗干扰能力较差，其精度一般低于平衡补偿系统。在同等精度要求下，直传系统对电路元器件的质
6、量、结构和装调技术有更高的要求。但是，由于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响应速度较快。,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,7.1.1 四细分辨向电路,输入信号：具有一定相位差(通常为90)的两路方波信号。细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分。辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。,一、单稳四细分辨向电路,原理：利用单稳提取两路方波
7、信号的边沿实现四细分。电路如下图7-2所示。正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。,图7-2 单稳四细分辨向电路,ABABUo1Uo2,ABABUo1Uo2,a)b),图73,图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图,二、HCTL-20XX系列四细分辨向电路,HCTL-20XX系列四细分辨向电路是HP公司生产的细分辨向电路，如图7-4所示。,7.1.2 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。,设电阻链
8、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=Esint，u2=Ecost,图7-5 电阻链分相细分a)原理图 b)矢量图,1.原理,2.电阻链五倍频细分电路,图7-6 电阻链五倍频细分电路,图 7.7 电阻链分相细分工作波形,电阻链分相细分,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。,图7-8 微型计算机整机细分 a）电路原理图 b）卦限图,a),b),7.1.3 微型计算机细分,细分量化原理框图如下。原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入。,优点：利用判别卦
9、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。,图7-9 只读存储器细分原理图,只读存储器细分,只读存储器细分原理框图如下：,图7-10 模/数转换结果与对应角度的关系,模/数转换结果与对应角度的关系如下：,7.2 平衡补偿式细分,图7-11 平衡式细分原理图,平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节距大的感应同步器、容栅式仪器中,也可用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分技术可实现高的细分数，例如2000，甚至一万。平衡补偿式细分电路
10、可分为跟踪式细分电路和程序平衡式细分电路。跟踪式细分电路是一种带有负反馈回路的闭环系统,原理图如下。,闭环系统的灵敏度,图中,xi为系统模拟输入量，可为长(角)度，也可为电参数,如幅值、相位、频率等。x0为系统输出量，是数字代码，代码形式多数是脉冲数。K1Kn为前馈回路诸环节的灵敏度(或传递函数)，其积为K0。F为反馈环节的灵敏度。反馈环节的输入是系统数字输出量x0，其输出是补 偿量xF。xF与xi在比较器中比较,比较结果是误差信号xi-xF。所谓跟踪就是用xF去补偿xi的变化。为使比较结果的残差xi-xF能等于零,在前馈回路中常采用积分环节。系统平衡时xi-xF=0,有,可见,KF由F决定,
11、与K0无关，或关系极小。仅要求K0 F足够大，可放宽对K0的线性稳定性要求，这是系统抗干扰能力强的原因之一；F要粮确、稳定。反馈环节通常是数字分频器，它比较容易做得精确、稳定，这是系统本身能有高精度的重要原因;KF是F的倒数，系统的细分数就等于分频器的分频数，分频数比较容易做得大,因而系统能实现高的细分数。反馈环节就是细分机构。,7.2.1 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=2x/W，W为标尺节距。相位跟踪细分框图如下图所示。,图712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
12、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。鉴相电路如下图所示。此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题。,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13鉴相电路a)电路图 b)正向波形图 c)反向波形图,a),图7-14 有门槛的鉴相电路a)电路图 b)正向波形图 c)反向波形图,图7-15 加减脉冲改变d 原理图,相对相位基准和移相脉冲门改变d 原理图如下。相对相位基准与移相脉冲原理图如图7-16所示。,3.相对相位基准和移相脉冲门,图7-16 相对相位基准与移相脉冲,4测量速度,动态测量时（指在部
13、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,移动速度产生的相位差为,7.2.2 幅值跟踪细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分,7.2.4 频率跟踪细分-锁相倍频细分,这是一种锁相式数字频率合成技术，用来实现测量信号的n倍频，以实现n细分。细分系统原理框图如下。,图7-29 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/
14、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。,习题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B 90、B导前A 90的情况，画出A、Uo1、Uo2的波形。,当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A 90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。,
