測控電路07-信號細(xì)分和辯向電路

第七章信號細(xì)分與辨向電路

作用：細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)對周期性的測量信號進(jìn)行插值，提高儀器的分辨率；辨向電路實(shí)現(xiàn)對周期性信號極性的判斷。

7.1直傳式細(xì)分電路（★）7.2平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路2023/2/5第七章信號細(xì)分與辨向電路

信號細(xì)分電路概念：信號細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路手段對周期性的增量碼信號進(jìn)行插值提高儀器分辨力的一種方法。信號的共同特點(diǎn)：信號具有周期性，每變化一個(gè)周期就對應(yīng)空間上的一個(gè)固定位移量。例如光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等輸出的信號。2023/2/5第七章信號細(xì)分與辨向電路若兩光柵柵距W相同，兩光柵柵線的夾角θ很小，則有：第七章信號細(xì)分與辨向電路信號細(xì)分原因：

測量電路通常采用對信號周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對位移的測量，若單純對信號的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則儀器的分辨力就是一個(gè)信號周期所對應(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。細(xì)分的基本原理：

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(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插補(bǔ)，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號周期的更高的分辨力。第七章信號細(xì)分與辨向電路什么是辨向：辨別機(jī)構(gòu)的移動方向?yàn)槭裁匆嫦颍?/p>

由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動，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題。

由A前進(jìn)至C與由A后退至B信號變化情況相同由E前進(jìn)與由D后退信號變化情況相同難以根據(jù)單一信號辨向ABCDE為了辨向常需要兩路信號AB前進(jìn)B在A前面后退A在B前面ttuu第七章信號細(xì)分與辨向電路無法根據(jù)兩路相位差0或180的信號辨向，相位差90的兩路信號最可靠。第七章信號細(xì)分與辨向電路7.1直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分直接利用位移信號進(jìn)行細(xì)分，稱其為直傳式是相對于跟蹤式（平衡補(bǔ)償式）而言的，也因?yàn)樗梢杂扇舾杉?xì)分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。系統(tǒng)總的靈敏度Ks為各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度Kj

(j=1~m)之積，

Ks=K1K2K3????Km

xi

x1

xoK1

K2KmDx1

x2

第七章信號細(xì)分與辨向電路2023/2/57.1直傳式細(xì)分電路

xi

x1

xoK1

K2KmDx1

x2

如果個(gè)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。另外，由于干擾等原因，當(dāng)某一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入量有增量?xj時(shí)，都會引起輸出量xo的變化，這時(shí)Ksj——xo對于xj的靈敏度；ksj=Kj+1???Km7.1直傳式細(xì)分電路越靠近輸入端環(huán)節(jié)的輸入量增量?xj所引起輸出的變化就越大，故盡量減小靠近輸入端環(huán)節(jié)的誤差。缺點(diǎn)：抗干擾能力差，精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：沒有反饋比較環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，有著廣泛應(yīng)用。7.1.1四細(xì)分辨向電路

輸入信號：相位差90的兩路方波信號。

細(xì)分原理：利用兩路相位差90的信號的4個(gè)跳變沿，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路在一個(gè)周期內(nèi)輸出4個(gè)脈沖。R&CDG21DG1AAABA單穩(wěn)7.1直傳式細(xì)分電路辨向原理：根據(jù)兩路方波相位的相對導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。

如果A出現(xiàn)在B為負(fù)的半周期，則A滯后于B，正向運(yùn)動；如果A出現(xiàn)在B為正的半周期，則A超前于B，反向運(yùn)動。ABAABA前進(jìn)后退7.1.1四細(xì)分辨向電路ABAB前進(jìn)后退正向：

A出現(xiàn)在B為負(fù)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(fù)的半周期反向：

B

出現(xiàn)在A為負(fù)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(fù)的半周期

7.1.1四細(xì)分辨向電路7.1.1.1單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5當(dāng)傳感器正向移動時(shí)設(shè)A導(dǎo)前B，

當(dāng)A、B發(fā)生正跳變，輸出窄脈沖信號A'、B'。

A

BA'B'

2023/2/5

A'B'

ABA'B'7.1.1.1單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路當(dāng)A、B發(fā)生負(fù)跳變，輸出窄脈沖信號A'、B'。

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

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1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG52023/2/5

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

7.1.1.1單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。2023/2/5A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

7.1.1.1單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路a)正向運(yùn)動a)反向運(yùn)動輸出信號Uo1、Uo2可直接送入標(biāo)準(zhǔn)系列可逆計(jì)數(shù)集成電路，實(shí)現(xiàn)辨向計(jì)數(shù)。2023/2/5輸入信號：相位差90的兩路正余弦（正交）模擬信號。工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，由于兩信號的疊加作用，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。優(yōu)點(diǎn)：具有良好的動態(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)不高的場合。a)原理圖b)相量圖7.1.2電阻鏈分相細(xì)分2023/2/5u1

u2

R1R2uo

uo7.1.2電阻鏈分相電路7.1.2.1原理設(shè)u1=Esinωt，u2=Ecosωt改變R1和R2可調(diào)節(jié)輸出信號uo的幅值uom和相位φ，uo經(jīng)電壓比較器整形為方波信號，再經(jīng)邏輯電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。2023/2/50o

16295￠

∞∞-URo13

12

11

-++

N

=

1ooo18547256kΩ

33kΩ18kΩ

24kΩ

5

6

4Esinωt

-++

N=

1

36o36o

108o

18o

12kΩ

1

23∞-++

N

∞-++

N

∞=

1

0o

108o

18kΩ

24kΩ

56kΩ

33kΩ

12kΩ

8

10++

N

=

190o9024kΩ

33kΩ

56kΩ

18kΩ

6￠

4￠

Ecosωt

∞-+

+

N=

1

o54o

72o

144o

126o33kΩ

24kΩ

18kΩ

56kΩ

1￠

13￠

12￠

11￠

8￠

9￠10￠

-Esinωt

∞-++

N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

2￠

3￠

=1

=

1

=

1

144126162oooo180構(gòu)成：電阻移向網(wǎng)絡(luò)、比較器、邏輯電路（異或門）移向網(wǎng)絡(luò)：在第一、二象限內(nèi)給出移相角0、18、...162十路移相信號（正弦信號）比較器：將十路移相信號與參考電平比較形成方波。7.1.2.2電阻鏈五倍頻細(xì)分電路2023/2/50o

16295￠

∞∞-URo13

12

11

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1ooo18547256kΩ

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N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

2￠

3￠

=1

=

1

=

1

144126162oooo180邏輯電路：異或門將十路方波在3'和4'端獲得兩路相位差90的五倍頻方波信號，滿足四細(xì)分電路對輸入信號要求；若將3'和4'輸出端接入單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路的A和B，就可實(shí)現(xiàn)20細(xì)分，且能辨向。7.1.2.2電阻鏈五倍頻細(xì)分電路2023/2/51+21+21+2

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠7.1.2.2電阻鏈五倍頻細(xì)分電路2023/2/57.1.2.2五細(xì)分專用集成電路sin、cos、-sin三路信號通過電阻鏈移相產(chǎn)生十路移相信號，經(jīng)十路比較器和邏輯電路在O1、O2獲得兩路正交信號。

微型計(jì)算機(jī)細(xì)分就是利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來進(jìn)行細(xì)分，它用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替硬件電路對模擬量進(jìn)行計(jì)算達(dá)到細(xì)分目的。微機(jī)細(xì)分按工作原理可分為：（1）與硬件細(xì)分相結(jié)合的細(xì)分技術(shù)；（2）時(shí)鐘脈沖細(xì)分技術(shù)；（3）量化細(xì)分技術(shù)。7.1.3微型計(jì)算機(jī)細(xì)分2023/2/57.1.3.1與硬件細(xì)分相結(jié)合的細(xì)分技術(shù)光柵傳感器

細(xì)分辨向緩沖計(jì)數(shù)器1放大整形

緩沖計(jì)數(shù)器2微機(jī)接口細(xì)分與辨向：由硬件電路完成；

計(jì)數(shù)、處理和顯示：由微機(jī)完成；

緩沖計(jì)數(shù)器：提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，光柵移動最高速度為：7.1.3.2時(shí)鐘脈沖細(xì)分技術(shù)將光柵一個(gè)柵距W內(nèi)的信號轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分。X1X2X0T1T01T02T2位移量：細(xì)分脈沖最小周期：——決定分頻數(shù)最大細(xì)分?jǐn)?shù)：

（——綜合誤差)(W/N>=?x')a）電路原理圖

辨向電路可逆計(jì)數(shù)器數(shù)字計(jì)算機(jī)Acos過零比較器∩/#∩/#顯示電路Asin整周期計(jì)數(shù)周期內(nèi)細(xì)分7.1.3.3量化細(xì)分技術(shù)

兩路正交輸入信號u1=Asin和u2=Acos，一方面經(jīng)比較器變?yōu)榉讲?，再?jīng)辨向計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)信號周期的計(jì)數(shù)；另一方面經(jīng)A/D將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，由接口電路進(jìn)行微機(jī)細(xì)分。2023/2/51、4、5、8卦限2、3、6、7卦限

u1u21

2

34

5

678卦限u1的極性u2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|7.1.3.3量化細(xì)分技術(shù)在一個(gè)卦限內(nèi)還可實(shí)現(xiàn)若干細(xì)分<1<1整周期量化細(xì)分：1

2

34

5

678u1u2

第1卦限，x=k 第3卦限，x=50+k第5卦限，x=100+k第7卦限，x=150+k200細(xì)分為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，采用軟件查表，細(xì)分速度比硬件慢，主要用于靜態(tài)測量中。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-k7.1.3.3量化細(xì)分技術(shù)■優(yōu)點(diǎn)：利用計(jì)算機(jī)來判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，相對來說減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直接算反函數(shù)arctan(u1/u2)或arccot(u2/u1)，要花費(fèi)更多的時(shí)間；通過修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)?！鋈秉c(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，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。7.1.3.3量化細(xì)分技術(shù)7.1.3.4只讀存儲器細(xì)分改軟件查表為硬件查表只讀存儲器減計(jì)數(shù)鎖存器周期計(jì)數(shù)器邏輯控