第7章信号细分与辨向

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。
1. 原理
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
u2 R2 uo R1 u1
u2
uo
ER1 R1 R2

u1
ER2 R1 R 2
第7章 信号细分与辨向电路

概述 直传式细分电路 平衡补偿式细分电路


概述

信号细分电路概念：
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。

信号的共同特点： 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。


电路细分原因：
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
移 相 脉 冲
显示电路
图7－12

随着科学技术的发展，要求读数值越来越小， 如果靠进一步减小测量标尺刻度来减小读数值， 要受到工艺等因素限制。要使位移信号每变化一 个周期不是计一个数，而是计若干数，就要采用 细分技术。一个周期计4个数叫4 细分。在4 细分 情况下，栅距是4μm的光栅，可达到1 μm的分 辨率。
在设计仪器时，要根据实际情况扬长避短， 合理分配光、机、电、细分数的比例，提高仪器 总的技术经济指标。 用电路来完成细分任务叫电子细分，是本 节要讲述的内容。
4 5 6 7 8
显示电路
a)
b)
图7-8 微型计算机整机细分 a） 电路原理图 b） 卦限图
卦限
1 2 3 4 5 6 7 8
u1的极性 u2的极性
+ + + + + + + +
|u1|、|u2|大小
|u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2| |u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2|
K s K1 K 2 K m
x1 xi K1 x1 K2 x2 xo Km
图7-1 由于个别环节灵敏度xj的变化，它势必引起系统总灵敏度 的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量 △ xj时，都会引起输出量x０的变化，这时有 0 K i xi K sj x j x


7.1

直传式细分电路
直传式细分电路由若干环节串联而成。如下


图所示。
设细分电路的输入量为xi。系统末端为编码输 出xo，中间环节中常有比较器， 另一种中间环节 完成信号的离散化和量化，这种环节称为细分机 构。中间环节中还会有各种变换器。如波形变换 器(正弦波变换为三角波等)，电信号参数变换器 (相位差变换为脉宽等)。这些环节都依次向末端 方向传递信息，这就是直传的意思。电路结构属 于开环系统。总传函
是系统数字输出量x0 ，其输出是补 偿量xF 。xF与xi在比较器 中比较,比较结果是误差信号xi -xF。所谓跟踪就是用xF去补偿xi 的变化。为使比较结果的残差xi -xF能等于零,在前馈回路中常
x0 xF xi x0 , KF 系统平衡时xi -xF=0 ,有 F F xi xo 1 闭环系统的灵敏度 K F xi F
1 B
DG6 R4 1 DG7
图7-2 单稳四 细分辨向电路
A B A'
A B A'
B'
B'
Uo1
Uo2
Uo1
Uo2
a)
b)
图7－3
二、HCTL-20XX系列四细分辨向电路
HCTL-20XX系列四细分辨向电路是HP公司生产的细分辨 向电路，如图7-4所示。
CLK HCTL-2020具有的功能 CK 细分脉冲 CNT DECR 计数方向 U/D 级联脉冲 CNTCAS 12/16位 锁存器 Q0-Q7 Q0-Q11,15 D0-D11,15 INH SEL OE 禁止逻辑 *HCTL-2000中A4-A7接地 多路切换器 三态缓冲器 8 B0-B7 8 8 A0-A7＊ D0D7 SEL OE
=
1
108o
3
18o
8
=
1
11
162o 18k 24k 56k 33k Ω Ω Ω Ω Ecosω t 24k 33k Ω Ω
=
1
10
12kΩ
56k 18k Ω Ω
90o
6 = 5 1 2
=
1
4
54o
1
3
33k 24k 18k 56k Ω Ω Ω Ω -Esinω t
j 1 m
式中 K sj K j 1 K m 为由于△ xj引起输出x０变化的灵敏度。
显然，由于Ks的变化和△ xj的存在会使达到相同的x０所
需的x j值发出变化，也即使细分点的位置发生变化。由于直
传系统信号单向传递，越在前面的环节，其输入变动员所引 起的x０变动量越大，因而要保持系统的精度必须稳定各环节 的灵敏度，减少各环节特别是靠近系统输入端的环节的输入 误差。基于上述要求，直传系统的抗干扰能力较差，其精度 一般低于平衡补偿系统。在同等精度要求下，直传系统对电 路元器件的质量、结构和装调技术有更高的要求。但是，由

正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。
DG3 & A R1 1 C1 & A R2 1 C2 DG4
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5 UO1
A
DG1
DG2
DG8 & B
C3 & B C4 DG9
R3
A & ≥1 B
B & A A & B A & B DG10 UO2

输入信号：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。
一、单稳四细分辨向电路

原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿
实现四细分。电路如下图7-2所示。
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。
7.1.3 微型计算机细分
细分量化原理框图如下。原始正交信号 u1=Asin和u2=Acos作为输入。
过零 比较器
Asin Acos
∩/#
辨向 电路
可逆 计数器
u1
u2
∩/#
数字 计算机
1 2 3
图7-5 电阻链分相细分 a) 原理图 b) 矢量图
36o
2. 电阻链五倍频细分电路
12kΩ Esinω t 56k 33k 18k 24k Ω Ω Ω Ω
∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N 1 2
72o
13 = 12
1
11
144o
126o
9 = 8
1
10
图7-6 电阻链五倍频细分电路
UR
Esint
1 2 3
13
11 13 12 11
3
5 6 4 8 10 9 8 10 4
图 7.7 电阻链分相细分工作波形
电阻链分相细分

优点:
具有良好的动态特性,应用广泛

缺点:
分电路。

细分的基本原理：
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。
辨向：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。辨向电路的作用是判别测量运动 方向或判别被测零件公差的正、负，并发出方向信 号控制计数器计数做加或减运算，或平衡跟踪方向 及显示符号的正、负。 细分电路分类： 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。 细分的方法有机械细分、光学细分、电子细分和微 机细分等。
图如下。
比较器 xi- xF Ks
∫
+ N xo
xi
xF
F
图7-11 平衡式细分原理图
图中, xi为系统模拟输入量，可为长(角)度，也可为电参数,如
幅值、相位、频率等。 x0为系统输出量，是数字代码，代码 形式多数是脉冲数。K1~Kn为前馈回路诸环节的灵敏度(或传
递函数)，其积为K0。F为反馈环节的灵敏度。反馈环节的输入
施密特 数字 触发器 滤波器 CH A
四细分 辨向电路 计数脉冲 计数方向
12/16位 可逆计数器 计数脉冲 计数方向 Q0-Q11,15
CH B
图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图
7.1.2 电阻链分相细分

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
于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响