信号细分与辩向电路
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辨向与细分电路
辨向与细分电路
1.辨向电路无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感
器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。
但是，仅有一个光电元件的输出无法判别光栅的移动方向，因为在一点观察时，不论主光栅向哪个方向运动，莫尔条纹均作明暗交替变化。
为了辨别方向，通常采用在相隔1/4 莫尔条纹间距B 的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号，然后送到如图12.1.5 所示的辨向电路进行处理。
图12.1.5 辨向电路
假设当主光栅向左移动时，莫尔条纹向上移动，两个光电元件分别输出电压信号U1 和U2，如图12.1.6（a），经过放大、整形，得到两个相位差为的方波信号和。
经反相后得到，、经过微分电路后得到两组电脉冲、，分别输入到与门、。
对于与门Y1，由于处于高电平时，总是为低电平，故脉冲被阻塞，Y1 输出为零；对于与门Y2，处于高电平时，也为高电平，故允许脉冲通过，并
触发加减控制触发器使之置1，可逆计数器对与门Y`输出的脉冲进行加法计数。
同理，当标尺光栅向右移动时，输出信号波形如图12.1.6（b）所示，与门Y2 被阻塞，Y1 输出脉冲信号使触发器置0，可逆计数器对与门Y2 输出的脉冲进行减法计数。
主光栅每移动一个栅距，辨向电路只输出一个脉冲。
计数器所计的脉冲个数即代表光栅的位移。
2.细分电路光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。
但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1）增加刻线密度来减小栅距，但是这
种方法受光栅刻线工艺的限制。
2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时。
测控电路课后答案(张国雄 第四版)第七章
Uj 滞后 Ud 时（图 7-14c） ，只有 DG2 有可能输出低电平 , Ud′是 Ud 的延时信号，也可起门槛
作用。调节电阻 R 和电容 C 可改变门槛的大小。 7-6 请说明图 7-19 中用 sinAα+cosAαtgBβ代替 sinθd=sin(Aα+Bβ)， 用 cosAα-sinAαtgBβ代 替 cosθd=cos(Aα+Bβ)，为什么不会带来显著误差？ 图 7-19 中把 180 °的相位角先按 α=18 °等分为 10 份，再把 18°按 β=1.8°等分为 10 份， 则 θd＝ Aα＋ Bβ。 A、 B 为 0～9 的整数。可写出 sin θd=sin( Aα+Bβ)=cos Bβ(sin Aα+cos AαtgBβ) cos θd=cos( Aα+Bβ)=cos Bβ(cos Aα-sin AαtgBβ) 因为 Bβ=(0～9）×1.8°=0°～16.2 °，cosBβ=1～0.963。正余弦激磁电压同时增大不影响平 衡位置，故可近似取 sinθd≈sinAα+cos AαtgBβ， cosθd≈cosAα-sin AαtgBβ 。
第七章
7-1
信号细分与辨向电路
图 7-31 为一单稳辨向电路，输入信号 A、B 为相位差 90°的方波信号，分析其辨向原 理，并分别就 A 导前 B 90°、B 导前 A 90°的情况，画出 A′、Uo1、Uo2 的波形。
A1Biblioteka &RDG1
A′ C
DG2
DG4
&
Uo1
1
DG3
&
B
题 7-1 图
Uo2
DG5
7-7 请比较相位跟踪细分、幅值跟踪细分和脉冲调宽型幅值跟踪细分的优缺点。 相位跟踪细分常用于感应同步器和光栅的细分，由于在一个载波周期仅有一次比 相，因此对测量速度有一定的限制。相位跟踪细分电路较简单。 幅值跟踪细分主要应用于鉴幅型感应同步器仪器。 感应同步器是闭环系统的组成部 分，因而幅值跟踪系统实现了全闭环，而相位跟踪系统只实现半闭环（感应同步器在环 外） ， 这使幅值跟踪系统具有更高的精度和更好的抗干扰性能。 电路中函数变压器受温度、 湿度影响小、不易老化，稳定性好，但工艺复杂，技术要求高，体积重量大，也可采用 集成电路的乘法型 D/A 转换器代替函数变压器。 幅值跟踪细分比相位跟踪系统允许更高 的移动速度。但电路较复杂。 脉冲调宽型幅值跟踪细分也是一种幅值跟踪细分系统， 只是用数字式可调脉宽函数发 生器代替上一系统中的函数变压器和切换计数器。因此保留了幅值跟踪系统的优点，系 统有高精度和高抗干扰能力。数字式脉宽函数发生器体积小、重量轻、易于生产，有高 的细分数，且有高的跟踪能力。数字电路可以灵活地根据测速改变跟踪速度。军用的高 速动态测量系统多采用具有高速数字跟踪能力的脉冲调宽方案，它有位置、速度甚至加 速度跟踪能力。当然，电路相当复杂。
信号细讲义分与辩向电路
u1
R1
u1
ER 2 R1 R2
不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经
逻辑电路处理即可实现细分。
测控电路
改变输入信号可改变象限：
Ⅰ： u1=Esin t，u2=Ecos t Ⅱ： u1=Ecos t ，u2=－Esin t Ⅲ： u1=－Esin t，u2=－Ecos t Ⅳ： u1=－Ecos t ，u2=Esin t
细分原理：对两路方波的突变沿进行处理（一个周期有两个突变沿），
提取四个突变沿，实现四细分。
辨向原理：根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作为判别依据。
Y B
O
VA’
VB
VB’
VA
W
BW
VA
VA
VB
VB
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测控电路
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
A
& A
R2
C2 DG4
1
A
DG2
DG8
& B
R3
C3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
& B
C4 DG9 R4
1
B
DG7
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5
A & ≥1 B B & A A & B
& A B
DG10
-
UO1 图 7 2 单 稳 四 细 分 辨 向 电
UO2 路
测控电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分
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测控的电路-信号细分和辩向第七章第一部分
细分电路的应用范围？
面向光栅, 感应同步器, 磁栅,容栅和激光干涉仪等 设备输出的周期信号
细分电路的分类？
•按工作原理分：直传式和平衡补偿式细分
•按处理信号分：调制信号和非调制信号细分
2
什么是辨向？为什么要辨向？
辨向：辨别机构的移动方向
A
B C D
E
位移传感器一般允许在正、反两个方向移动；
A'
B'
B'
Uo1 Uo2
Uo1 Uo2
正向运动（A超前B）
反向运动（ B超前A ） 8
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
• 该系列芯片具有细分与辨向功能； • 具有抗干扰设计； • 将可逆计数器设计在芯片上，芯片的集 成度高； • 简化外围电路的设计。
9
CLK
HCTL-2020具有的功能 CK 细分脉冲 计数方向 U/D 级联脉冲 CNT CAS CNTDECR
54o
= 1
3
33kΩ
24kΩ
18kΩ
56kΩ
72o
13 12
= 1
-Esinω t 144o
11
126o
10
UR
12
3+ 13
11+ 11’
13
电阻链分相细分优缺点
优点: 具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: 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。
1 2 3 4 5 6 7 8
19
微机量化细分的优缺点
优点：利用判别卦限和查表实现细分，相对 来说减少了计算机运算时间，若直接算反函 u1 / u2 )或 arc cot(u1 / u2 ) 要化更多的时 数arctan( 间；通过修改程序和正切表，很容易实现高 的细分数。 缺点：需要进行软件查表，细分速度慢，主 要用于输入信号频率不高或静态测量中。
测控电路 第7章 信号细分与辨向电路
7第 章
信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路 7.2 平衡补偿式细分
信号细分与辨向电路
为什么要细分？ 提高分辨力
信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值 提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波 形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个 信号周期的更高的分辨力。 高分辨力是高精度的必要条件。
第7章 信号细分与辨向电路
19
7.2.4频率跟踪细分——锁相倍频细分
锁相式数字频率合成技术:用来实现测量信号的n倍频，以实现n细分
鉴相器 fi
fo/n
环路滤波器 Uc 压控振荡器 fo
n分频器
优点:结构较简单，细分数高的，对信号失真度无严格要求。 缺点:为有差系统，对输入信号的角频率的稳定性要求高，不能辨向。 主要用于电气倍频和回转部件的角度与传动比等的测量，这时比较容易保持fi接近恒定。
i
也可为幅值,相位,频率等
x -x
比较器
iF
K
s
x
F
∫
+
-
N
xo
• xo为系统输出量,是数字代码,代码
F
多是脉冲数
• 计数器具有积分作用
• Ks为前馈环节的灵敏度 • F为反馈环节的灵敏度
细分数为
KF
xo xi
1 F
第7章 信号细分与辨向电路
16
7.2.1 相位跟踪细分
原理
umsin(t+j)
放大 整形
A A B
第7章 信号细分与辨向电路
DG2 &
1
A
AHale Waihona Puke RCDG1
信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路 7.2 平衡补偿式细分
信号细分与辨向电路
为什么要细分？ 提高分辨力
信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值 提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波 形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个 信号周期的更高的分辨力。 高分辨力是高精度的必要条件。
第7章 信号细分与辨向电路
19
7.2.4频率跟踪细分——锁相倍频细分
锁相式数字频率合成技术:用来实现测量信号的n倍频，以实现n细分
鉴相器 fi
fo/n
环路滤波器 Uc 压控振荡器 fo
n分频器
优点:结构较简单，细分数高的，对信号失真度无严格要求。 缺点:为有差系统，对输入信号的角频率的稳定性要求高，不能辨向。 主要用于电气倍频和回转部件的角度与传动比等的测量，这时比较容易保持fi接近恒定。
i
也可为幅值,相位,频率等
x -x
比较器
iF
K
s
x
F
∫
+
-
N
xo
• xo为系统输出量,是数字代码,代码
F
多是脉冲数
• 计数器具有积分作用
• Ks为前馈环节的灵敏度 • F为反馈环节的灵敏度
细分数为
KF
xo xi
1 F
第7章 信号细分与辨向电路
16
7.2.1 相位跟踪细分
原理
umsin(t+j)
放大 整形
A A B
第7章 信号细分与辨向电路
DG2 &
1
A
AHale Waihona Puke RCDG1
测控电路第七章习题
第七章 信号细分与辨向电路
7-1
图7-31为一单稳辨向电路，输入信号A 、B 为相位差90︒的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A 导前B 90︒、B 导前A 90︒的情况，画出A '、
U o1、U o2的波形。
7-2
参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
7-3 若测得待细分的正余弦信号某时刻值为u 1=2.65V, u 2=-1.33V ，采用微机对信号进行200细分，
请判别其所属卦限，并求出对应的θ值和k 值。
7-4 在图7-9所示只读存储器256细分电路中，请计算第A000(十六进制)单元的存储值。
图7-9
7-5 在图7-14a 所示鉴相电路中为什么要设置门
槛，门槛电路是如何工作的？
7-6 请说明图7-19中用sin A α+cos A αtg B β代替
sin θd =sin(A α+B β)，用cos A α-sin A αtg B β代替cos θd =cos(A α+B β)，为什么不会带来显著误差？
G5U o1
U o2
题7-1图
A sin θA cos θD 0
6 7 8 9 . . . . . . F X
X
图7-19
7-7 请比较相位跟踪细分、幅值跟踪细分和脉冲调宽型幅值跟踪细分的优缺点。
cosθsinθ d
N
1
N
2
E cos
-E
图7-6。
测控电路信号细分和辩向电路60页PPT
测控电路信号细分和辩向电路
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
测控电路第七章信号细分与辨向电路
中国计量学院
第七章 信号细分与辨向电路
计量测试工程学院 朱维斌
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。
计量测试工程学院 朱维斌
参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
12kΩ Esinω t 12kΩ 45o 12kΩ 12kΩ Ecosω t 12kΩ 135o ∞ + 90o ∞ + 0o ∞ + 1 3
=1
A
+ N
∞ + 2 4
=1
B
+ N
+ N
12kΩ -Esinω t UR
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctanR2 30
R
R1 R2 12K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
1 60°: arctan R2 60
R
R1 R2 12K
稳态 暂态
计量测试工程学院 朱维斌
典型的积分式单稳触发器
A′ B′
正 向 运 动
第七章 信号细分与辨向电路
计量测试工程学院 朱维斌
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。
计量测试工程学院 朱维斌
参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
12kΩ Esinω t 12kΩ 45o 12kΩ 12kΩ Ecosω t 12kΩ 135o ∞ + 90o ∞ + 0o ∞ + 1 3
=1
A
+ N
∞ + 2 4
=1
B
+ N
+ N
12kΩ -Esinω t UR
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctanR2 30
R
R1 R2 12K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
1 60°: arctan R2 60
R
R1 R2 12K
稳态 暂态
计量测试工程学院 朱维斌
典型的积分式单稳触发器
A′ B′
正 向 运 动
信号的细分与辨向电路实验设计
光栅输 出的信号经跟随器跟随，起到阻抗匹配 的作用 ，ｓ ｉ ｎ信号经反相 器得 到 一ｓ ｉ 号 ，并将 ｎ信 ｓ ， 一 ｉ，ＣＳ ｉ ｎ ｓ ｎ Ｏ ３路信号输人集 成 ５细分 芯片 ，５
细分后 输 出 ２路 相 位相 差 ９ 。 ０ 的方 波 ， 由于 ５细分
芯片输 出高电平 为 １ ２Ｖ，为了与后 面 ４细分 电路 在电平上达到统一 ，须在 ５细分后加上 电平转换 电 路 ，将 １ ２Ｖ转换为５Ｖ 。信号经４细分细分后输出
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｉ ｕ ｔ ｏ ｉｎ ｌｓ ｂ ｉ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃｉ ｎ ｄ ｓ ｒ ｎ ｔ ｎ ｉ ｏ ｅ ｗ ｄ ｌ ｓ ｄ ｐ ｅ ｉｅ ｃｒ ｕ ｔ Ｉ ｓｅ ｄ ｏ ｈ ｎ ｅ ｒ ｔｄ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｃｒ ｉ ｆ ｒｓｇ ａ ｕ ｄ ｖｓ ｎ ａ ｄ ｄ ｒ ｔ ｃ ｍｉ ａ ｉ ｓ ｎ ｉ ｅｙ ｕ ｅ ｒ ｃ ｓ ｉｃ ｉ ｎ ｔａ ｆｔ ｅ ｉ ｔｇ ａｅ ｃ ｉ ｅ ｏ ｉ ｉ ｏ ． ｃ ｉ ｓｆ ｒｆ ｅ—ｓ ｂ ｉｉｉｎ ，ｔ ｅ ｄ ｓ ｒ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ａｅ ｕ ｅ ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔｔ ｄ ｃ ｈ ｏ ｔ ｈｐ ｖ ｏ ｉ ｕ ｄｖ ｓ ｓ ｈ ｉｃ ｅ ｅｅ ｎｓ ｒ ｓ ｄ ｉ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｏ ｒ ｕ ｅ ｔｅ ｃ ｓ，Ｍｅ ｎ ｈ ｌ ， ｉ ｒ ｅ ｏｍａ ｅ ｔｅ ｒ — ｏ ｅ ｎ ｉ ｅ ａｗ ｉ ｅ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｋ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｉｌ ｄ ｅ ｓ ｅ ｏ ｏ ｓ ｒｅ，ｔ ｅ ｓｇ ａ ｅ ｅ ａｏ ｓ ｄ ｔ ｒｄ ｃ ｉ ｕ ｏｄ ｉ ａ ， ｉ ｕ ｓｍｏ ｖｓｂ ｅ ａ ａ ｉｒｔ ｂ ｅ ｖ ｅ ｎ ｈ ｉ ｌ ｇ ｎ ｒ ｔｒｉ ｕ ｅ ｏ ｐ ｏ ｕ ａ ｓｎ ｓ ｉ ａ ｓｇ ｌ ｗｈ ｃ ｈ ｎ ｃ ａ ｇ ｄ ｉ ｔ ｏ ｎ ｓ ｅ ｌ ｎ ｉｈｉ ｔｅ ｈ ｅ ｏａｃ — ｓ ｎ ｎ
细分与辫向电路
2
1 2k 1
2 v
fW
/ 7 W=2mm
跟踪速度-动态测量速度
因为一个载波周期比一次相，为使测量速度引起动态误差不 超过一个细分脉冲当量，要求在一个载波周期内相位角的变 化不超过一个细分脉冲当量，即
umsin(t+j) Θј=2πX/W
V W fn
V Wf n
V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为 标尺节距。
5-1 5-2 5-3 5-6
第五章 细分与辫向电路 2013年5月
内容
一、细分电路的作用、类型和指标 二、直传式细分电路 三、平衡补偿式细分电路
一、细分电路的作用、类型和指标
作用：提高仪器的分辨力
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。
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。
u0
R2E sin t
R1 R2
R1E R1
cos t
R2
U om
E
R12 R22 R1 R2
,
arctan( R1 ) R2
uo
Uom
sin(t )
E cost
u2
u2
uo
R2
ER1
uo R1 R2
R1 u1
u1
ER2 R1 R2
E cost
E sint
E sint Esint
E sint
若f=2K W=2mm n=200 v<1.2m/min
4、频率跟踪细分电路---锁相倍频细分电路
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
1 2k 1
2 v
fW
/ 7 W=2mm
跟踪速度-动态测量速度
因为一个载波周期比一次相，为使测量速度引起动态误差不 超过一个细分脉冲当量，要求在一个载波周期内相位角的变 化不超过一个细分脉冲当量，即
umsin(t+j) Θј=2πX/W
V W fn
V Wf n
V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为 标尺节距。
5-1 5-2 5-3 5-6
第五章 细分与辫向电路 2013年5月
内容
一、细分电路的作用、类型和指标 二、直传式细分电路 三、平衡补偿式细分电路
一、细分电路的作用、类型和指标
作用：提高仪器的分辨力
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。
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。
u0
R2E sin t
R1 R2
R1E R1
cos t
R2
U om
E
R12 R22 R1 R2
,
arctan( R1 ) R2
uo
Uom
sin(t )
E cost
u2
u2
uo
R2
ER1
uo R1 R2
R1 u1
u1
ER2 R1 R2
E cost
E sint
E sint Esint
E sint
若f=2K W=2mm n=200 v<1.2m/min
4、频率跟踪细分电路---锁相倍频细分电路
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
数字式传感器的辨向和细分电路设计
数字式传感器的辨向和细分电路设计
数字式传感器的辨向和细分电路设计可以分为以下几个步骤：
1. 确定传感器的工作原理和输出信号类型。
不同类型的传感器具有不同的工作原理和输出信号类型，例如温度传感器的输出为模拟信号，而光电传感器的输出为数字信号。
2. 设计传感器的信号调理电路。
信号调理电路的作用是对传感器输出信号进行放大、滤波、线性化等处理，使其能够适应后续的数字信号处理。
根据传感器的输出信号类型和要求的精度，选择合适的放大器、滤波器和线性化电路。
3. 设计辨向电路。
辨向电路是指用于判断传感器输出信号的方向或位置的电路。
根据传感器的工作原理和输出信号特征，选择合适的辨向电路，如比较器、编码器等。
4. 设计细分电路。
细分电路是用于将传感器输出信号进行精确的数值化处理，以实现对测量量的细分。
根据传感器的输出范围和要求的分辨率，选择合适的模数转换器（ADC）和数字
信号处理器（DSP）等。
5. 进行电路仿真和调试。
利用电路仿真软件对设计的电路进行仿真，检查电路的性能和稳定性。
根据仿真结果进行调整和优化，直到达到设计要求。
6. 硬件实现和测试。
将设计的电路实现到实际的硬件平台上，并进行功能测试和性能验证。
根据测试结果进行调整和改进，
直到满足设计要求。
以上是数字式传感器的辨向和细分电路设计的一般步骤，具体设计过程还需要结合具体的传感器和应用要求进行细化和调整。
第7章 信号细分与分辨电路
绝对零位
20Ω
sin、cos、-sin三路信号通过电阻链移相产生十路移相信号， 经十路比较器和逻辑电路在O1、O2获得两路正交信号。 绝对零信号经比较器整形后和两路方波信号( 126 、 ) 144 相与，获得标准零脉冲信号。
7.1.3 微型计算机细分
7.1.3.1 与硬件细分相结合的细分技术
缓冲计数器1
光栅 传感器
放大 整形
细分 辨向
缓冲计数器2
微 机 接 口
细分与辨向：由硬件电路完成； 计数、处理和显示：由微机完成； 缓冲计数器：提高系统的响应速度，最高速度为：
v m ax C / ( pN t )
7.1.3 微型计算机细分
7.1.3.2 时钟脉冲细分技术
将光栅一个栅距W内的信号转化为计时的方法实现细分。
7.1.4 只读存储器细分
128
0
128
255 X
7.2 平衡补偿式细分
■
用途：广泛应用于标尺节距大的感应同步器、容栅、 磁栅、光栅等传感器的后续仪器中。 特点：细分数高、分辨率高、精度高，但速度低(带负 反馈的闭环系统)。
前馈回路 xi 比较器 xF F 细分机构，分频数=细分数 x i- x F ∫ Ks + N xo
—— 相位调制信号，作为相位跟踪细分的输入信号。
7.2.1.1 相位跟踪细分原理
Umsin(t+j) 放大整形 鉴相电路
j- d
移 相 脉 冲
移相脉冲门
d
相对相位 基准分频器
显示电路
输入信号：相位差90的两路正余弦(正交)模拟信号。
工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，由于两信 号的叠加作用，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相 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。
07-信号细分和辩向电路解析
2、3、6、7卦限
cot Acos u2 Asin u1
7. 信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路 〔三〕计算机量化细分
u1 u2
为削减计算机运算时间， 承受软件查表，细分速度 比硬件慢，主要用于静态 测量中。
1 2 34 5 678
200细分
k 100 π
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+k
无法依据两路相位差 0 或 180的信号辨向， 相位差 90的两路信号最牢靠。
7. 信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路
直传式细分直接利用位移信号进展细分，称其为 直传式是相对于跟踪式〔平衡补偿式〕而言的，也由
于它可以由假设干细分环节串联而成
Dx1
xi
K1
x1
K2
x2
xo Km
系统总的灵敏度Ks为各个环节灵敏度Kj (j=1~m)之积， 假设个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必引起系统总的 灵敏度的变化。
2
1+2
3
0o
13
12+13
11
72o
13
144o
12
12+13 11
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+2
3
18o
5
162o
6
5+6
4
90o
8
8+9
10
54o
9
126o
8
8 +9
10
5 +6
4
36o
108o
1+2 0o
12+13 72o 144o
信号细分与分辨电路资料
则输出量变为：
m
xo KS xi KSjxj
j 1
KSj ——由于xj引起输出变化的灵敏度，Ksj=Kj+1…Km。
7.1 直传式细分电路
越靠近输入端环节的输入量增量Δxj所引起输出的变 化就越大，故尽量减小靠近输入端环节的误差。
■ 缺点：抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。 ■ 优点：没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速
Uo2
B A &
B DG10
7.1.1.1 单稳四细分辨向电路
A B A' B' A
B
Uo1 Uo2
正向运动(A超前B 90 )
A B A' B' A
B
Uo1 Uo2
反向运动(A滞后B 90 )
7.1.1.2 HCTL-20XX系列四细分辨向电路
CLK
CK
施密特 触发器
数字 滤波器
CH A
四细分 辨向电路
闭环系统灵敏度：KF=xo/xi=1/F
可见KF由F决定，而与Ks无关。但要求KsF足够大，有 利于提高跟踪速度。 由于KF是F的倒数，系统的细分数就 等于分频数，因而系统能实现高的细分数。
7.2.1 相位跟踪细分
7.2.1.1 原理
鉴别相位，实现细分辨向。用于鉴相型感应同步器。
将两路同频率、同幅值的正交电压：us E sint 和 uc Ecost ，分别接在感应同步器的正、余弦绕组(滑尺)
R1 cost)
Uom
sin(t
)
E Uom R1 R2
R12 R22
arctan R1 (超前)
R2
改变R1R2可调节输出信号uo的幅值Uom和相位 ，uo经
信号细分与辩向电路共36页
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
信号细分与辩向电路
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
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u2 R2 uo
E R1 R1 R2
u2
uo
arctan( R1 / R2 )
输出电压的幅值与相位都与R1 u1 和R2的比值有关。
R1
ER2 R1 R 2
u1
不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经 逻辑电路处理即可实现细分。
测控电路
改变输入信号可改变象限：
Ⅰ： Ⅱ： Ⅲ： Ⅳ： u1=Esin t，u2=Ecos t u1=Ecos t ，u2=－Esin t u1=－Esin t，u2=－Ecos t u1=－Ecos t ，u2=Esin t Ecos t φ＝0 ° ～90 ° φ＝90 ° ～180 ° φ＝180 °～270° φ＝270 ° ～360 °
72o
13 12
=
1
11
144o
126o
9 8
=
1
10
UR
图7-6
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回
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测控电路
Esint
1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4
8
10 9 8 10
五 倍 频 细 分 电 路 的 波 形
4
测控电路
优点: 具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: 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。
返
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测控电路
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。又称插补器。 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。
返
回
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测控电路
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。
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测控电路
第一节
四细分辨向电路
输入信号：具有一定相位差(通常为90)的两路方波信号。
细分原理：对两路方波的突变沿进行处理（一个周期有两个突变沿），
提取四个突变沿，实现四细分。
辨向原理：根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作为判别依据。
Y
VA’
B O W VB
VA
VB’
B
W
VA VB
返
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测控电路
第三节 微型计算机细分
输入信号：原始正余弦信号u1=Asin和u2=Acos
过零 比较器
u
辨向 电路 可逆 计数器
u1
u2
Asin Acos
∩/#
∩/#
数字 计算机
1 2 3 4 5
6 7
8 t
显示电路
a） 电路原理图
b） 卦限图
图7-8 微型计算机8细分
返 回 上一页 下一页
=
1
11
162o 18k 24k 56k 33k Ω Ω Ω Ω Ecosω t 2 4 k 3 3 k 5 6 k1 8 k Ω Ω Ω Ω
∞ + + N
∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N
=
1
10
12kΩ
90o
=
1
4
54o
=
1
3
33k 24k 18k 56k Ω Ω Ω Ω -Esinω t
-
DG2
R3 1
A & ≥1 B
B & A A & B A B & DG10 UO2
B
DG6
B
测控电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分
A A B B 单稳 单稳 单稳 单稳 A’ A’ 异或
四细分输出
B’
B’
0 1 1-0
DG3 &
0 1-0
A
A
0 1
1
1 0
0-1
R1
DG1
VA VB
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测控电路
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DG3 & A R1 1 C1 A & A R2 1 C2 DG4 A DG8 & B C3 B & B R4 1 DG7 C4 DG9
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5 UO1
A
DG1
图 7 2 单 稳 四 细 分 辨 向 电 路
返
回
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测控电路
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 。
uo E sin tR2 /( R1 R2 ) E costR1 /(R1 R2 )
U om E
2 R1 2 R2
/( R1 R2 )
辨向原理：
正向：Uo1有4细分脉冲输出，Uo2始终为高电平 反向：Uo1始终为高电平，Uo2有4细分脉冲输出
Uo1
Uo2
＋ 可 逆 计 数 — 器
实际位移情况
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测控电路
第二节
电阻链分相细分
输入信号：两路正余弦交流信号。
（频率相同但相位不同）
工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的各接 点上得到幅值和相位各不相同的电信号， 经处理后（整形 、脉冲形成、逻辑组合电路），在一个周期内获得若干计 数脉冲，实现细分。
C1
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测控电路
B
& ≥1 & & & DG5 UO1
B
Hale Waihona Puke & ≥1 & & & DG10 UO2
A
B A A B A B
A
B A A B A B
A B A' B' A' B’ Uo1 Uo2
返 回
A B A' B' A' B’ Uo1 正向时
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Uo2
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反向时
测控电路
第七章 信号细分与辨向电路
第一节
第二节
四细分辨向电路
电阻链分相细分
第三节
第四节
微型计算机细分
只读存储器细分
第五节
思考题
平衡补偿式细分电路
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测控电路
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，就需要使用细分电 路。
－Esin t
Esin t
返
回
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－Ecos t
电阻细分桥（12细分）
测控电路
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36o
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 1 2
=
1
108o
3
18o
5 6
=
1
4
0o
13 12 9 8 6 5 1 2
测控电路
卦限
1 2 3 4 5 6 7 8
返 回
u1的极性 u2的极性
+ + + +
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|u1|、|u2|大小
|u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2| |u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2|