測控電路第七章07_信號細分和辯向電路(N)

1、12022-5-4 為什么要細分？ 提高分辨力 信號細分電路又稱插補器，是采用電路手段對周期性的增量碼信號進行插值提高儀器分辨力的一種方法。細分的基本原理是：根據(jù)周期性測量信號的波形、幅值或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插補，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力。 高分辨力是高精度的必要條件。7. 信號細分與辨向電路7. 信號細分與辨向電路123546/20.3164m激光干涉儀7. 信號細分與辨向電路亮亮亮亮暗暗W20mW 光柵測量裝置指示光柵主光柵受工藝和造價等限制7. 信號細分與辨向電路感應同步器WW=2mm滑尺定尺受工藝和允許電流限制需要讀出一個周期內(nèi)的移動量:細分n什么是辨向？

2、辨向：辨別機構(gòu)的移動方向由A前進至C與由A后退至B信號變化情況相同由E前進與由D后退信號變化情況相同難以根據(jù)單一信號辨向7. 信號細分與辨向電路ABCDEn為了辨向常需要兩路信號7. 信號細分與辨向電路AB前進前進B在在A 前面前面后退后退A在在B 前面前面ttuu7. 信號細分與辨向電路無法根據(jù)兩路相位差 或 的信號辨向，相位差 的兩路信號最可靠。90 0 180 82022-5-47.1 直傳式細分電路7. 信號細分與辨向電路直傳式細分直接利用位移信號進行細分，稱其為直傳式是相對于跟蹤式（平衡補償式）而言的，也因為它可以由若干細分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 系統(tǒng)總的靈敏度Ks為各個環(huán)節(jié)靈敏度Kj (j=

3、1m)之積，如果個別環(huán)節(jié)靈敏度Kj發(fā)生變化，它勢必引起系統(tǒng)總的靈敏度的變化。 xi x1 xo K1 K2 KmDx1 x2 7. 信號細分與辨向電路 7.1 直傳式細分電路(一）四細分辨向電路細分：利用兩路相位差90 的信號的4個跳變沿，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路在一個周期內(nèi)輸出4個脈沖。R&CDG31 1DG1AA ABA 單穩(wěn)7. 信號細分與辨向電路 7.1 直傳式細分電路(一）四細分辨向電路辨向：如果A出現(xiàn)在B為負的半周期，則A滯后于B,正向運動；如果A出現(xiàn)在B為正的半周期，則A超前于B,反向運動。7. 信號細分與辨向電路 7.1 直傳式細分電路(一）四細分辨向電路正向：A出現(xiàn)在B為負

4、的半周期B 出現(xiàn)在A為正的半周期A出現(xiàn)在B為正的半周期B 出現(xiàn)在A為負的半周期反向：B 出現(xiàn)在A為負的半周期A出現(xiàn)在B為正的半周期B 出現(xiàn)在A為正的半周期A出現(xiàn)在B為負的半周期ABAB前進前進后退后退122022-5-47.1 直傳式細分電路(一）四細分辨向電路7. 信號細分與辨向電路 DG7 & & & & & & & & UO1 DG5 UO2 DG10 R1 & & 1& & 1 1A 1DG1 C1 DG3 R2 DG2 C2 DG4 DG8 R3 C3 C4 DG9 R4 DG6 A A

5、B B B BB A A AA B B BAA AAB BB 11132022-5-47.1 直傳式細分電路(一) 四細分辨向電路 A B A BA B Uo1 Uo2 A B A BA B Uo1 Uo2 7. 信號細分與辨向電路142022-5-47.1 直傳式細分電路 為了實現(xiàn)更大的細分數(shù)，需要生成具有不同相位的多個信為了實現(xiàn)更大的細分數(shù)，需要生成具有不同相位的多個信號。將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點上可得號。將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點上可得到相位各不同的電信號。這些信號經(jīng)整形，脈沖形成后，就能到相位各不同的電信號。這些信號經(jīng)整形，脈沖形成后，就能在正余弦

6、信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。在正余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。7. 信號細分與辨向電路u1a) 原理圖 b)相量圖（二）電阻鏈細分 uo u2 R1R2uo112ERRR212ERRR)/(arctan21RR)sin(omotuu1sinuEt2cosuEt152022-5-47.1 直傳式細分電路n電阻鏈五倍頻細分電路7. 信號細分與辨向電路（二）電阻鏈細分 36o 108o 18o 0o 162o90o 54o 72o 144o 126o56k 33k18k 24k 18k 24k 56k 33k 24k 33k 56k 18k 33k 24k 18k

7、56k 12k 12k 1 235 6 413 12 11 9 8 106 5 4 1 13 12 11 8 910 Esint Ecost -Esint -+ N -+ N -+ + N-+ N-+ N -+ N -+ N-+ N -+ N-+ N = = 1= = 1 = = 1 = = 1= = 1 2 3 = =1 = = 1 = = 1 UR36oooo1854720o 90108144126162oooooo180 還需要解決辨向問題，還需要解決辨向問題，采取形成以采取形成以72 為周期為周期的兩路方波信號的辦法的兩路方波信號的辦法o162022-5-47. 信號細分與辨向電路7.

8、1 直傳式細分電路（二）電阻鏈細分n電阻鏈五倍頻細分電路 通過一定邏輯組合，通過一定邏輯組合，獲得五倍頻正余弦獲得五倍頻正余弦信號，送入四細分信號，送入四細分辨向電路，實現(xiàn)辨向電路，實現(xiàn)20細分辨向。細分辨向。1+21+21+2 1231311131211356481098104 Esint 36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312 +131 +28+98 +95 +6172022-5-47. 信號細分與辨向電路7.1 直傳式細分電路（三）計算機量化細分a） 電路原理圖 辨向電路辨向電路可逆計數(shù)器可逆計數(shù)器數(shù)字計算機數(shù)字計算機A Acosco

9、s 過零過零比較器比較器/#/# 顯示電路顯示電路A Asinsin 一周期內(nèi)絕對碼信號一周期內(nèi)絕對碼信號整周期計數(shù)整周期計數(shù)周期內(nèi)細分周期內(nèi)細分7. 信號細分與辨向電路7.1 直傳式細分電路（三）計算機量化細分21cossintanuuAA21coscotsinAuAu1、4、5、8卦限 2、3、6、7卦限 u1u21 1 2 2 3 4 3 4 5 5 6 7 86 7 8卦限卦限u1的極性的極性u2的極性的極性|u1|、|u2|大小大小1+|u1|u2|3+ |u1|u2|4+ |u1|u2|5 |u1|u2|7 +|u1|u2|8 +|u1|u2|7. 信號細分與辨向電路7.1 直傳式

10、細分電路（三）計算機量化細分1 2 3 4 5 6 7 8u1u2 第第1卦限，卦限， x=k 第第3卦限，卦限， x=50+k 第第5卦限，卦限， x=100+k 第第7卦限，卦限， x=150+k100k200細分 為減少計算機運算時間，為減少計算機運算時間，采用軟件查表，細分速度采用軟件查表，細分速度比硬件慢，主要用于靜態(tài)比硬件慢，主要用于靜態(tài)測量中。測量中。第第2卦限，卦限， x=50-k 第第4卦限，卦限， x=100-k 第第6卦限，卦限， x=150-k 第第8卦限，卦限， x=200-k7.2 平衡補償式細分7. 信號細分與辨向電路基本原理ixox為系統(tǒng)輸出量為系統(tǒng)輸出量, ,

11、是數(shù)字代碼是數(shù)字代碼, ,代碼多是脈沖數(shù)代碼多是脈沖數(shù)計數(shù)器具有積分作用計數(shù)器具有積分作用sK為前饋環(huán)節(jié)的靈敏度為前饋環(huán)節(jié)的靈敏度F為反饋環(huán)節(jié)的靈敏度為反饋環(huán)節(jié)的靈敏度為系統(tǒng)模擬輸入量為系統(tǒng)模擬輸入量, ,可為長可為長( (角角) )度度, ,也可為幅值也可為幅值, ,相位相位, ,頻率等頻率等oFi1xKxF為細分數(shù)為細分數(shù) xi- xF xF 比較器比較器 F F Ksxo- - + +N xi umsin( t+ j) d j- d移相脈沖移相脈沖鑒相電路鑒相電路放大放大整形整形移位脈沖門移位脈沖門顯示電路顯示電路 相對相位基準相對相位基準 分頻器分頻器7. 信號細分與辨向電路7.2 平

12、衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分相對相位基準既是反饋環(huán)節(jié)、又是細分機構(gòu)、分頻數(shù)等于細分數(shù)（一）原理。移向脈沖數(shù)代表被測量關閉移向脈沖門小于門檻值時當減小變化移向脈沖門打開增加且大于相位門檻值時變化變化djdjddjjx7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx(二）鑒相電路 UdUx&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FxFxUc Uj位移信號Ud為相位補償信號Uc是辨向參考信號 它是Ud的倍頻信號(1)根據(jù)j-d輸出對應的脈寬信號Ux;(2)根據(jù)j與d的導前、滯后，確定滑

13、 尺移動方向，輸出Fx或Fx 問題：沒有遲滯，會來回振蕩問題：沒有遲滯，會來回振蕩7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分 UdUx&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FxFxUj Ud RRCCUjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFx(二）鑒相電路 引入遲滯，只有引入遲滯，只有 j- d信號信號 延續(xù)一定時段才有輸出延續(xù)一定時段才有輸出利用Uj 和Ud的延時信號 Uj 、Ud ，只有當Uj與Ud的相位差 超過一定時限才有脈寬信號Ux輸出 umsin( t+ j) d j- d移相脈沖移相脈沖鑒相電路

14、鑒相電路放大放大整形整形移位脈沖門移位脈沖門顯示電路顯示電路 相對相位基準相對相位基準 分頻器分頻器7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分(二）相對相位基準和移相脈沖門 a) 時鐘脈沖時鐘脈沖b) 正常分頻正常分頻c) 減脈沖減脈沖d) 使使 d延后延后e) 加脈沖加脈沖f) 使使 d前移前移減脈沖減脈沖加脈沖加脈沖7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分(二）相對相位基準和移相脈沖門 Ux=0: DF正常二分頻正常二分頻Ux=1: DF不工作，輸出不工作，輸出1

15、Fx=0: DG2關閉，減脈沖關閉，減脈沖Fx=1: DG2開啟，脈沖數(shù)加倍開啟，脈沖數(shù)加倍 Uxn/2分頻器分頻器相對相位基準相對相位基準移相脈沖門移相脈沖門 Ms去數(shù)顯電路去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx Uc 二分頻器二分頻器n/4分頻器分頻器去鑒相器去鑒相器7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分UjUxD D D D /2UjUx沒跟蹤沒跟蹤UdD D 無脈沖進入，等待無脈沖進入，等待跟蹤后跟蹤后Ud與與Uj同時翻轉(zhuǎn)同時翻轉(zhuǎn)跟蹤后跟蹤后Ud加倍進脈沖加倍進脈沖停止進脈沖，仍落后停止進脈沖，仍落后D D /2

16、Uj滯后滯后Uj超前超前沒跟蹤沒跟蹤Ud7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分(三）測量速度 由于在一個載波周期僅有一次比相，動態(tài)測量時（指在部件移動過程中就要讀出它的位移），為使測量速度引起的誤差不超過一個細分脈沖當量，就要求在一個載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個細分脈沖當量，即nWfvnWfv 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分(三）測量速度 靜態(tài)測量時（指移動部件停止運動后才讀數(shù)），盡管在傳感器位移時會發(fā)生超過一個脈沖當量的誤差，但是，一旦傳感器在測量位置停下，經(jīng)過一段時間，就能讀得合乎精度要求的測量數(shù)據(jù)。傳感器反向運動

17、時，Ud 超前于Uj，相對相位基準停止進脈沖，d-j多大，Ux脈寬就多寬，使相對相位基準少進相應的脈沖數(shù)，使Ud后延，直到達到d=j。故反向運動時系統(tǒng)有很強的跟蹤能力。 ( (三）測量速度三）測量速度 正向運動時正向運動時Ud滯后于滯后于Uj，在，在Ux=1期間以加倍的速度進脈沖，期間以加倍的速度進脈沖，只用一半的時間就提前翻轉(zhuǎn)，一個周期內(nèi)只能使只用一半的時間就提前翻轉(zhuǎn)，一個周期內(nèi)只能使D D j- d減減小至小至D D / /2。第二周期又產(chǎn)生。第二周期又產(chǎn)生D D ，相位差擴大為相位差擴大為( (D D / /2)+)+D D ，經(jīng)跟蹤留下經(jīng)跟蹤留下( (D D / /2+D D )/2；

18、第三周期又產(chǎn)生；第三周期又產(chǎn)生D D ，經(jīng)跟蹤留下經(jīng)跟蹤留下D D + +( (D D / /2+D D )/2；最終相位差擴大為；最終相位差擴大為 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分111222kDD D D UjUdUcDG1DG2UxFx7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.1 相位跟蹤細分本鑒相器根據(jù)相位差輸出落在本鑒相器根據(jù)相位差輸出落在Uc的高電平還是低電平辨向，鑒相范圍為的高電平還是低電平辨向，鑒相范圍為 /2D D 超過鑒相器的鑒相范圍超過鑒相器的鑒相范圍 /2就要將就要將Uj超前誤判為滯后，從而丟失整個節(jié)距，超前誤判為滯后，

19、從而丟失整個節(jié)距，即失步。為此要求即失步。為此要求222/(/)4vvvT Wfv W WfWvD/7vfW7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分vmdmdvmdvmjd222(sincoscossin)cossin()cossin()cosxxxek UUtk utWWWk utsmdsinsinuUtcmdcossinuUtWW=2mm余弦繞組定尺正弦繞組7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分鑒幅辨鑒幅辨控制電路控制電路顯示電路顯示電路切換切換計數(shù)器計數(shù)器函數(shù)函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器jde e調(diào)幅脈沖調(diào)幅脈沖向電路向電路放大濾放大濾波

20、電路波電路感應感應同步器同步器vmjdsin()cosek ut e超出門檻電平就改變超出門檻電平就改變d，使減小，使減小， d跟蹤跟蹤j的變化的變化感應同步器供電電壓的變化靠函數(shù)變壓器實現(xiàn)感應同步器供電電壓的變化靠函數(shù)變壓器實現(xiàn)7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分n為了實現(xiàn)n細分，變壓器需要n個抽頭。為減少抽頭簡化供電方式。采用變形正余弦激磁電壓后后半周期，輸出信號e變號，需要在辨向中注意。vmjdsin()cosek ut 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分00180180360360d/()d/()usucucusc)

21、變形正弦a)正弦信號00180180360360d/()d/()b)余弦信號d)變形余弦vmjdsin()cosek ut前半周期前半周期后半周期后半周期n為進一步減少抽頭，把180先按=18等分為10份，再把18按=1.8等分為10份，令dABdcoscos()cos(cossintan)ABBAAB7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分dsinsin()cos(sincostan)ABBAAB因為B=(09)1.8=016.2，cosB=10.963。正余弦勵磁電壓同時增大不影響平衡位置dsinsincostanAABdcoscossintanAAB21si

22、n(18 )iNNi21cos(18 )iNNi7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分正余弦變壓器正余弦變壓器21tan(1.8 )iNNi正切變壓器正切變壓器7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分mmmdsincostansinsinsinsinSOSDDOuuuUtABUtAUtmmmdsinsintansincoscossinCOCEEOuuuUtABUtAUt 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分DG1DG2WxM+ FxCySRDC= 1= 1&SRDCDF1DF2Q2 Q1 D

23、2 M-vmjddvmjddsin()cos(0)sin()cos(2)k utek ut前后節(jié)距利用切換計數(shù)器的正反溢出脈沖辨別D2=Q1Wx cos t為最大時發(fā)出的采樣脈沖為最大時發(fā)出的采樣脈沖前節(jié)距，前節(jié)距，后節(jié)距，后節(jié)距，12x1,QDW12x0,QDWe經(jīng)倒相整形后的信號經(jīng)倒相整形后的信號 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.2 幅值跟蹤細分b) 反向運動波形反向運動波形eOteOtOtD2OtCyOtWxOWxtQ1OtOQ1tD2OtOFxtOtCyFxOta) 正向運動波形正向運動波形n調(diào)寬脈沖波的波形分析 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.

24、2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分a) 非對稱波b) 對稱波UmususUmucUm-2 -2-t 0ucUm02-2 t0-d -2 - 2 td0-d -2 - 2 tdd2d2)2(d)2(d7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分n調(diào)寬脈沖波的波形分析 mmsdd12sincosnUUunn tn(1)非對稱波mmcdd12()sin ()cos22nUUunn tn基波分量 tUucossin)/2(dm1stUucoscos)/2(dm1cus1、uc1在定尺上感應的電動勢 tUkemsin)sin(2djv7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補

25、償式細分7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分n調(diào)寬脈沖波的波形分析 對稱波 mmmmsdddd1122sincos sincos ()nnUUUUunn tnntnnn為偶數(shù)時， us=01dmscossin4ntnnnUu1dmccos)2(sin4ntnnnUun為奇數(shù)時, 7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分移相脈沖移相脈沖Md計數(shù)脈沖計數(shù)脈沖Ms鑒幅辨鑒幅辨控制電路控制電路放大濾放大濾 感應感應同步器同步器顯示電路顯示電路數(shù)字函數(shù)數(shù)字函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器ej jd波電路波電路向電路向電路tUkesin)sin(4djmvtUucossin)/4(d

26、m1sus1、uc1在定尺上感應的電動勢 基波分量 tUucoscos)/4(dm1c7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分2 d2 dD D da）對稱展寬）對稱展寬b）非對稱展寬）非對稱展寬D D dD D dD D dD D dD D d多進脈沖多進脈沖提前翻轉(zhuǎn)提前翻轉(zhuǎn)少進脈沖少進脈沖延后翻轉(zhuǎn)延后翻轉(zhuǎn)少進脈沖少進脈沖延后翻轉(zhuǎn)延后翻轉(zhuǎn)多進脈沖多進脈沖提前翻轉(zhuǎn)提前翻轉(zhuǎn)多進脈沖多進脈沖提前翻轉(zhuǎn)提前翻轉(zhuǎn)少進脈沖少進脈沖延后翻轉(zhuǎn)延后翻轉(zhuǎn)7. 信號細分與辨向電路7.2 平衡補償式細分7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分a) 電路圖電路圖DF3DG2Fx1JR1KC11JR1KC11JR1KC11JR1KC1=1=1=1=1n/8分頻器分頻器二分頻器二分頻器二分頻器二分頻器n/8分頻器分頻器MdMdf0FxQ1Q2Q3Q4UAUBU12U1U2U22DF1DF2DF4DG1e未超門檻，未超門檻，Md=0, DF2、DF4四分頻四分頻 UA=UB=Q4 e超出門檻超出門檻, Md=1 DF2、DF4停翻停翻如如Fx=1, 來一個來一個Md，Q1改變一次狀態(tài)改變一次狀態(tài),UA提前發(fā)生變化，提前發(fā)生變