信號(hào)細(xì)分與辨向電路

1、1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2 信號(hào)細(xì)分電路概念：信號(hào)細(xì)分電路概念： 概概 述述 信號(hào)細(xì)分電路又稱(chēng)插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)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。周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值提高儀器分辨力。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，細(xì)分電路可達(dá)到的分辨率越來(lái)越高，同時(shí)成本卻在不斷降低，電路細(xì)分電路細(xì)分已經(jīng)成為人們提高儀器分辨率的主要手段之一已經(jīng)成為人們提高儀器分辨率的主要手段之一。3概概 述述 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。 細(xì)分電路在機(jī)械和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本本章內(nèi)容主要針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的位移信號(hào)章內(nèi)容主

2、要針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的位移信號(hào)，如來(lái)自光柵、磁柵、激光干涉儀等的信號(hào)細(xì)分。 這類(lèi)信號(hào)的共同特點(diǎn)是：這類(lèi)信號(hào)的共同特點(diǎn)是：4電路細(xì)分原因：電路細(xì)分原因： 概概 述述 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。5細(xì)分的基本原理：細(xì)分的基本原理：概概 述述 根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律化規(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。6辨向的問(wèn)題： 概概 述述 由于位移傳感器一般允許在正、反兩

3、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。7細(xì)分電路的分類(lèi)：細(xì)分電路的分類(lèi)：概概 述述按工作原理，可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。 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。8第一節(jié)第一節(jié) 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路第二節(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 概概 述述9xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x27.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。 輸入量：來(lái)自位移傳感器的周期信號(hào)，以一對(duì)正、余弦信號(hào)或者相移為900的兩路方波最為常見(jiàn)。 輸出量：有多種形式，有時(shí)為頻率更高的脈沖或模擬信號(hào)，有時(shí)為可供計(jì)算機(jī)

4、直接讀取的數(shù)字信號(hào)。 中間環(huán)節(jié)完成從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，常由波形變換電路、比較器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和邏輯電路等組成。各環(huán)節(jié)依次向末端傳遞信息直傳的意思。10系統(tǒng)靈敏度：系統(tǒng)靈敏度：mjjjxKxKx1sisoKsj xo對(duì)xj的靈敏度, Ksj=Kj+1Km 7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路msKKKKK.321 電路結(jié)構(gòu)屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)總的靈敏度(也稱(chēng)傳遞函數(shù)) Ks為各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度Kj(j=1m)之積。 如果個(gè)別環(huán)節(jié)靈敏度Kj發(fā)生變化，它勢(shì)必會(huì)引起系統(tǒng)總的靈敏度的變化。此外，由于干擾等原因，當(dāng)某一環(huán)節(jié)的輸入量有增量 時(shí)，都會(huì)引起輸出量xo的變化，此時(shí)：jx11直傳系統(tǒng)特點(diǎn)：直傳系統(tǒng)特點(diǎn)：

5、7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路 直傳式系統(tǒng)信號(hào)單向傳遞，故越在前面的環(huán)節(jié)，其輸入變動(dòng)量所引起的xo的變動(dòng)量越大。因此要保持系統(tǒng)的精度必須穩(wěn)定各環(huán)節(jié)的靈敏度，特別是減少靠近輸入端的環(huán)節(jié)的誤差。12n缺點(diǎn)：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)。 n優(yōu)點(diǎn)：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，有著廣泛的應(yīng)用。 7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路13典型的直傳式細(xì)分電路典型的直傳式細(xì)分電路7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路 四細(xì)分辨向電路 電阻鏈分相細(xì)分 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 14 輸入信號(hào)：具有一定相位差(通常為90)的兩路方波信號(hào)。 細(xì)分的原

6、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)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。 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)。 7.1.1 四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨向電路是最為常用的細(xì)分辨向電路。15單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路7.1.1 四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨向電路 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。16DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1圖7-2 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 AABB17AB

7、ABUo1Uo2a)ABABUo1Uo2b)18 電阻鏈分相細(xì)分是應(yīng)用很廣的細(xì)分技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦模擬信號(hào)的細(xì)分。 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)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。 7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分19 設(shè)電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost 。7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分)/(cos)/(sin211212RRtRERRtREuo u1 u2uo u2 R1R2uou1211R

8、RER212RRER)/(212221RRRREUom)/arctan(21RR 輸出電壓的幅值與相位都與R1和R2的比值有關(guān)。 不同相的輸出電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器整形為方波，然后經(jīng)邏輯電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。2036o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= = 1= = 1= = 1= = 1= = 123= = 1

9、= = 1= = 1UR電阻鏈五倍頻細(xì)分電路211231311131211356481098104 Esint五倍頻細(xì)分電路的波形22優(yōu)點(diǎn): 具有良好的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用廣泛。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)分主要用于細(xì)分?jǐn)?shù)不高的場(chǎng)合。7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分電阻鏈分相細(xì)分23 微型計(jì)算機(jī)具有豐富的運(yùn)算和邏輯功能，它可用來(lái)完成細(xì)分，從而簡(jiǎn)化儀器電路（硬件）結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)儀器功能，提高儀器精度。7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分241 2 3 4 5 6 7 8u1u2b) 卦限圖 兩路原始正交信號(hào)u1=Asin和u2=Acos作為輸入。微機(jī)通過(guò)判別

10、兩信號(hào)的極性和絕對(duì)值的大小，實(shí)現(xiàn)8細(xì)分。7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分辨向電路可逆計(jì)數(shù)器數(shù)字計(jì)算機(jī)Acos 過(guò)零比較器/#/# 顯示電路a) 電路原理圖Asin25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|7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分26 在一個(gè)卦限內(nèi)，按信號(hào)絕對(duì)值比值大小，還可以再實(shí)現(xiàn)若干細(xì)分。7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分|cos|sin|tan|21uuAA或|sin|cos|cot|12uuAA1 2 3 4 5

11、 6 7 8u1u2b) 卦限圖 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之間變化，因而可用00450間的|tan|值來(lái)表示。這樣，在計(jì)算機(jī)中固化一個(gè)表，如果每卦細(xì)分?jǐn)?shù)為N，則用N個(gè)存儲(chǔ)單元固化00450間N個(gè)正切值。兩信號(hào)|u1|、|u2|的比值可按：277.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 例如N=25，經(jīng)8細(xì)分后的每個(gè)卦限再被細(xì)分成25份，微機(jī)在此表中查詢(xún)與已算得的|tan|值或|cot|值最接近的存儲(chǔ)單元，如果該存儲(chǔ)單元是正切表的第k個(gè)單元，則相位角對(duì)應(yīng)的細(xì)分?jǐn)?shù)x由下列公式?jīng)Q定：第1卦限，x=k第3卦限，x=

12、50+k第5卦限，x=100+k第7卦限，x=150+k第2卦限，x=50-k第4卦限，x=100-k第6卦限，x=150-k第8卦限，x=200-k然后計(jì)算x對(duì)應(yīng)的被測(cè)量，也就實(shí)現(xiàn)了細(xì)分。28n優(yōu)點(diǎn)： 7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 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，主要用于輸入信號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。)/arctan(21uu)/arctan(12uu 利用判別卦限和查表實(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，若直接算反函數(shù) 或 要花更多的時(shí)間；通過(guò)修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。n缺點(diǎn)： 29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

13、細(xì)分鎖存器加減信號(hào)發(fā)生 器加/#/#D0D6D7D8D9.7.1.4 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分是微型計(jì)算機(jī)細(xì)分的發(fā)展，旨在解決微機(jī)細(xì)分中軟件查表速度慢的問(wèn)題，改軟件查表為硬件查表。300 128 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(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY7.1.4 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分317.1.4 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分速度較快，可滿(mǎn)足幾十千赫茲到上

14、百千赫茲信號(hào)細(xì)分的要求，隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度將不斷提高，只讀存儲(chǔ)器方法的細(xì)分速度可望得到進(jìn)一步提高。同時(shí)由于其細(xì)分?jǐn)?shù)較高，電路相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這種細(xì)分方法具有廣泛的應(yīng)用前景。327.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路廣泛應(yīng)用于標(biāo)尺節(jié)距大的感應(yīng)同步器，也用于磁柵、光柵式儀器中。這種細(xì)分方法可實(shí)現(xiàn)高這種細(xì)分方法可實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)的細(xì)分?jǐn)?shù)，例如2000，甚至10000。FxFxxiFoFxxKioF1 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路的相應(yīng)速度一般比直傳式細(xì)分電路的低，如果測(cè)量速度過(guò)快，就會(huì)發(fā)生跟蹤不上，甚至失步的問(wèn)題。為保證精度，必須限制測(cè)量速度。比較器F Ksxo

15、xi-+NxFxi-xF門(mén)檻電壓不能太小33平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 相位跟蹤細(xì)分7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路34 原理原理 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分 j調(diào)制相移角，j通常與被測(cè)位移x成正比， j=2x/W，W為標(biāo)尺節(jié)距。 相位跟蹤細(xì)分屬于平衡式細(xì)分，它的輸入信號(hào)一般為相位調(diào)制信號(hào)：)sin(jmjtUuUm、 載波信號(hào)的振幅和角頻率；35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 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分UUnUnUUnUU36 鑒相電路鑒相電路7.2.1 相位跟蹤細(xì)分

16、相位跟蹤細(xì)分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 37 UdUX&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鑒相電路沒(méi)有門(mén)檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)附近振擺跟蹤的問(wèn)題。 Uc7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分鑒相電路 38 UdUX&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUj Uc UdRRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxb)UjUdUdUcDG1DG2UxFxc)有門(mén)檻的鑒相電路 Uj的上升滯后與Uj的上