信號(hào)細(xì)分與辨向電路課件

第七章信號(hào)細(xì)分與辨向電路1

信號(hào)細(xì)分電路概念：

概述信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，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。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，細(xì)分電路可達(dá)到的分辨率越來越高，同時(shí)成本卻在不斷降低，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。2概述

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)，如來自光柵、磁柵、激光干涉儀等的信號(hào)細(xì)分。這類信號(hào)的共同特點(diǎn)是：3細(xì)分的基本原理：概述根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(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。5辨向的問題：

概述由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(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題。6細(xì)分電路的分類：概述按工作原理，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。7xi

x1

xo

K1

K2

Kmx1

x27.1

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。

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)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。9系統(tǒng)靈敏度：

Ksj——xo對(duì)xj的靈敏度,Ksj=Kj+1…Km

7.1

直傳式細(xì)分電路電路結(jié)構(gòu)屬于開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)總的靈敏度(也稱傳遞函數(shù))Ks為各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度Kj(j=1～m)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)：10直傳系統(tǒng)特點(diǎn)：7.1

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。11典型的直傳式細(xì)分電路7.1

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

13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)分辨向電路是最為常用的細(xì)分辨向電路。14單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路7.1.1

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。15ABA'B'Uo1Uo2a)ABA'B'Uo1Uo2b)17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18

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

u1

u2uo

u2

R1R2uou1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。191231311131211356481098104

Esint五倍頻細(xì)分電路的波形21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22微型計(jì)算機(jī)具有豐富的運(yùn)算和邏輯功能，它可用來完成細(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23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25

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)分或12345678u1u2b)卦限圖

在1、4、5、8卦限用|tanθ|，在2、3、6、7卦限用|cotθ|。上述卦限中的|tanθ|或|cotθ|值都在0到1之間變化，因而可用00～450間的|tanθ|值來表示。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00～450間N個(gè)正切值。兩信號(hào)|u1|、|u2|的比值可按：26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題，改軟件查表為硬件查表。290128255XY255128

圖7-10模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)角度的關(guān)系7.1.4

只讀存儲(chǔ)器細(xì)分307.1.4

只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分速度較快，可滿足幾十千赫茲到上百千赫茲信號(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。317.2

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)高的細(xì)分?jǐn)?shù)，例如2000，甚至10000。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)量速度過快，就會(huì)發(fā)生跟蹤不上，甚至失步的問題。為保證精度，必須限制測(cè)量速度。比較器F

Ksxoxi-+N∫xFxi-xF門檻電壓不能太小32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33原理

7.2.1

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)：Um、

——載波信號(hào)的振幅和角頻率；34鑒相電路移位脈沖門相對(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7－12相位跟蹤細(xì)分框圖7.2.1

相位跟蹤細(xì)分35鑒相電路7.2.1

相位跟蹤細(xì)分鑒相電路要做三方面的工作：確定偏差信號(hào)j-d是否超過門檻；輸出與偏差信號(hào)相對(duì)應(yīng)的方波脈寬信號(hào)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

36

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鑒相電路沒有門檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)附近振擺跟蹤的問題。

Uc7.2.1

相位跟蹤細(xì)分鑒相電路

37

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXUj

′

Uc

Ud’RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxb)UjUdUdUcDG1DG2UxFxc)有門檻的鑒相電路

Uj’的上升滯后與Uj的上升。若Uj與Ud的相位差很小，在Uj’到達(dá)開門電平前，Ud已經(jīng)上跳，就不會(huì)形成相位差信號(hào)。38加減脈沖改變d原理圖

a)時(shí)鐘脈沖b)正常分頻c)