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1、1,第七章 信号细分与辨向电路,2,信号细分电路概念：,概 述,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。,随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分辨率越来越高，同时成本却在不断降低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨率的主要手段之一。,3,概 述,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。,细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，本章内容主要针对测控系统中应用广泛的位移信号，如来自光栅、磁栅、激光干涉仪等的信号细分。,这类信号的共同特点是：,4,电路细分原因：,概 述,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
2、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。,5,细分的基本原理：,概 述,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。,6,辨向的问题：,概 述,由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。,7,细分电路的分类：,概 述,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。,8,第一节 直传式细分电路第二节 平衡补偿式细分电路,概 述,9,7.1
3、直传式细分电路,直传式细分电路由若干环节串联而成。,输入量：来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为900的两路方波最为常见。,输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。,中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向末端传递信息直传的意思。,10,系统灵敏度：,Ksj xo对xj的灵敏度,Ksj=Kj+1Km,7.1 直传式细分电路,电路结构属于开环系统，系统总的灵敏度(也称传递函数)Ks为各个环节灵敏度Kj(j=1m)之积。,如果个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必会引起系统总
4、的灵敏度的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量 时，都会引起输出量xo的变化，此时：,11,直传系统特点：,7.1 直传式细分电路,直传式系统信号单向传递，故越在前面的环节，其输入变动量所引起的xo的变动量越大。因此要保持系统的精度必须稳定各环节的灵敏度，特别是减少靠近输入端的环节的误差。,12,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。,7.1 直传式细分电路,13,典型的直传式细分电路,7.1 直传式细分电路,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,14,输入信号：
5、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。,四细分辨向电路,四细分辨向电路是最为常用的细分辨向电路。,15,单稳四细分辨向电路,四细分辨向电路,原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。,16,DG7,&,&,&,&,&,&,&,&,UO1,DG5,UO2,DG10,R1,&,1,&,&,1,A,C1,DG3,R2,DG2,C2,DG4,DG8,R3,C3,C4,DG9,R4,DG6,A,B,B,B,A,A,A,1,B,B,B,A,1,图
6、7-2 单稳四细分辨向电路,A,B,17,18,电阻链分相细分是应用很广的细分技术，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。,电阻链分相细分,19,设电阻链由电阻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。,电阻链分相细分,输出电压的幅值与相位都与R1和R2的比值有关。,不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。,20,电阻链五倍频细分电路,21,
7、1231311131211356481098104,Esint,五倍频细分电路的波形,22,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。,电阻链分相细分,23,微型计算机具有丰富的运算和逻辑功能，它可用来完成细分，从而简化仪器电路（硬件）结构，增强仪器功能，提高仪器精度。,微型计算机细分,24,两路原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入。微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现8细分。,微型计算机细分,25,微型计算机细分,26,在一个卦限内，按信号绝对值比值大小，还可以再实现若干细
8、分。,微型计算机细分,或,在1、4、5、8卦限用|tan|，在2、3、6、7卦限用|cot|。上述卦限中的|tan|或|cot|值都在0到1之间变化，因而可用00450间的|tan|值来表示。这样，在计算机中固化一个表，如果每卦细分数为N，则用N个存储单元固化00450间N个正切值。,两信号|u1|、|u2|的比值可按：,27,微型计算机细分,例如N=25，经8细分后的每个卦限再被细分成25份，微机在此表中查询与已算得的|tan|值或|cot|值最接近的存储单元，如果该存储单元是正切表的第k个单元，则相位角对应的细分数x由下列公式决定：,然后计算x对应的被测量，也就实现了细分。,28,优点：,
9、微型计算机细分,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。,利用判别卦限和查表实现细分，相对来说减少了计算机运算时间，若直接算反函数 或 要花更多的时间；通过修改程序和正切表，很容易实现高的细分数。,缺点：,29,只读存储器细分,只读存储器细分是微型计算机细分的发展，旨在解决微机细分中软件查表速度慢的问题，改软件查表为硬件查表。,30,图7-10 模/数转换结果与对应角度的关系,只读存储器细分,31,只读存储器细分,只读存储器细分速度较快，可满足几十千赫兹到上百千赫兹信号细分的要求，随着电子工业的飞速发展，模/数转换器的速度将不断提高，只读存储器方法
10、的细分速度可望得到进一步提高。同时由于其细分数较高，电路相对简单的特点，这种细分方法具有广泛的应用前景。,32,7.2 平衡补偿式细分电路,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，也用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分方法可实现高的细分数，例如2000，甚至10000。,平衡补偿式细分电路的相应速度一般比直传式细分电路的低，如果测量速度过快，就会发生跟踪不上，甚至失步的问题。为保证精度，必须限制测量速度。,33,平衡补偿式细分电路,相位跟踪细分,7.2 平衡补偿式细分电路,34,原理,相位跟踪细分,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。,相位跟踪细分属于平
11、衡式细分，它的输入信号一般为相位调制信号：,Um、载波信号的振幅和角频率；,35,图712相位跟踪细分框图,相位跟踪细分,36,鉴相电路,相位跟踪细分,鉴相电路要做三方面的工作：确定偏差信号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,37,UX,&,&,&,&,&,Uc,Uj,Ud,DG1,DG2,DG3,DG4,DG5,FX,FX,a),此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题。,相位跟踪细分,鉴相电路,38,UX,&,&,&,&,&,Uc,Uj,Ud,DG1,DG2,DG3,DG4,DG5,FX,FX,Ud,R,R,C,C,a),有门槛的鉴相电路,Uj的上升滞后与Uj的上升。若Uj与Ud的相位差很小，在Uj到达开门电平前，Ud已经上跳，就不会形成相位差信号。,39,加减脉冲改变d 原理图,相位跟踪细分,相对相位基准和移相脉冲,40,相对相位基准与移相脉冲,相位跟踪细分,
