第7章 信号细分与分辨电路讲解

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
光栅 传感器
放大 整形
缓冲计数器1
微
细分
机
辨向
接
口 百度文库冲计数器2
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：
vmax C / ( pN t)
7.1.3 微型计算机细分
■ 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、分辨力高、精度高，但速度低(带负 反馈的闭环系统)。
前馈回路
(模拟量)
xi
比较器 xi- xF Ks
xF
(数字量)
F
∫ +-
N
xo
(数字代码)
细分机构，分频数=细分数
7.2 平衡补偿式细分
(模拟量)
冲。此时显示电路的示值(移相脉冲数)代表被测位移。
7.2.1 相位跟踪细分
7.1.3.3 量化细分技术
微机通过判断两信号的极性和绝对值的大小实现8细 分。八个卦限中两信号的极性和绝对值大小如下：
卦限 u1的极性 u2的极性
1
+
+
2
+
+
3
+

4
+

5


6


7

+
8

+
|u1|、|u2|大小
|u1|<|u2| |u1|>|u2| |u1|>|u2| |u1|<|u2| |u1|<|u2| |u1|>|u2| |u1|>|u2| |u1|<|u2|
第7章 信号细分与辨向电路
作用：细分电路实现对周期性的测量信号进行 插值，提高仪器的分辨力；辨向电路实 现对周期性信号极性的判断。
■ 7.1 直传式细分电路★ ■ 7.2 平衡补偿式细分电路
第7章 信号细分与辨向电路
■ 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。
7.1.3 微型计算机细分
7.1.3.3 量化细分技术
Asin Acos
过零 比较器
辨向 电路
可逆 计数器
∩/# ∩/#
数字 计算机
u1
u2
12 34 56 7 8
显示电路
两路正交输入信号u1=Asin 和u2=Acos，一方面经比较
器变为方波，再经辨向计数电路实现信号周期的计数；另一 方面经A/D将模拟量变为数字量，由接口电路进行微机细分。
O1 O2 0位
绝对零位
0位
cos -sin
QA 740204
O1 O2 0位
绝对零位
0位
-5V
7
8
7
8
20Ω
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。
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。
7.1.2 电阻链分相细分电路
7.1.2.1 原理 设 u1=Esint ，u2=Ecost ，则
u2
u2
R2
uo ER1
uo
R1 R2

R1 u1
u1 ER2
R1 R2
uo

R2 R1 R2
u1

R1 R1 R2
u2

—— 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
j

2 x
W
j-d
鉴相电路
d
移 相
脉 相对相位 冲
基准分频器
移相脉冲门 显示电路
当被测量x发生变化时，相移角j随之变化。uj经放大 整形为方波后送入鉴相电路，使j与相对相位基准分频器 输出的补偿信号d进行比较。当偏差信号j-d超过门槛时， 移相脉冲门打开，输出移相脉冲。此脉冲改变d，使d跟 踪j，当d=j时系统平衡，关闭移相脉冲门，停发移相脉
B &
A A &
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
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
R1
E R2
( R2
sint

R1
cos t )

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
电压比较器整形为方波，再经逻辑电路处理即可实现细分。
Esinωt
12kΩ
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。
X1
T1 T0
1
X0
X2
T0 T2
2
位移量：X

X1

X0

X2

( T1 T01

M

T2 T02
)W
最大细分数：Nmax W / x (x —— 综合误差)
细分脉冲最小周期：Tmin W / (Nmaxvmax ) —— 决定分频数
xi
比较器 xi- xF Ks
xF
(数字量)
F
∫ +-
N
xo
(数字代码)
若xi-xF≠0，就用补偿量xF去补偿xi的变化，使xi-xF=0。系 统平衡：xo=xF/F=xi/F
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。
-
∞ +
+N
162o
-
∞ +
+N
90o ∞ -+ +N
54o ∞ -+ +N
72o ∞ -+ +N
144o ∞ -+ +N
126o
∞ -+
+N
UR=0
1 2
=1 3
5 6
=1 4
13 = 1 11 12 9 = 1 10 8 6 = 1 4 5
1 = 1 3 2
13 = 1 11 12
arctan
Y X
128 128
2
( X 128, Y 128) ( X 128, Y 128)
3π

2
( X 128, Y 128)
255 X

π

arctan
Y X
128 128
( X 128)
7.2 平衡补偿式细分
五倍频 五倍频
9 = 1 10 8
7.1.2.2 电阻链五倍频细分电路
■ 构成：电阻链移相网络、电压比较器、逻辑电路(异或门)； ■ 移相网络：在第一、二象限内给出移相角0°18°… 162° 十路移相信号(正弦信号)； ■ 电压比较器：将十路移相信号与参考电平比较形成方波； ■ 逻辑电路：异或门将十路方波在3΄和4΄端获得两路相位差 90°的五倍频方波信号，满足单稳四细分电路(图7-2)对输入 信号要求。 若将3΄和4΄输出端接入单稳四细分辨向电路的A 和B，即将图7-6与图7-2级联就可实现20细分，且能辨向。
■ 信号的共同特点：
信号具有周期性，每变化一个周期就对应着空间上 一个固定位移量。例如光栅、磁栅、容栅、感应同步器 等输出的信号。
第7章 信号细分与辨向电路
■ 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。
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。
第7章 信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路
xj
xi
K1
x1
K2
x2 …
Km
xo
由若干环节串联而成，各环节依次传递，总灵敏度为：
KS=K1K2K3…Km
若某一环节由于干扰原因引起输入量有增量Δxj时，
7.1.3 微型计算机细分
■ 优点：利用计算机来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，若直接算反函数arctan(u1/u2) 或arccot(u2/u1)，要花费更多的时间；通过修改程序和正 切表，很容易实现高的细分数。
■ 缺点：这种细分方法由于还需要进行软件查表，细分速 度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中。
度快，有着广泛的应用。
7.1 直传式细分电路
7.1.1 四细分辨向电路
■ 输入信号：相位差90的两路方波信号。 ■ 细分原理：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。 ■ 辨向原理：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。
* 7.1.1.1 单稳四细分辨向电路
■ 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。
第7章 信号细分与辨向电路
■ 为什么要辨向：
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。
■ 细分电路分类：
Esint
144 108 72 36
1 2 3 13 11 13 12 11 3
5 6 4 8 10 9 8 10 4
图7.7 五倍频(五细分)细分电路的工作波形
7.1.2.3 五细分专用集成电路
基准0V 1 sin
14 +5V 基准0V
1
sin
14 +5V
cos -sin
QA 740204
7.1.4 只读存储器细分
改软件查表为硬件查表
加减 加
周 期
信号
计
发生 减 器
数 器
计 数 锁 存 器
D15 ...
DD89
∩/# X
Asin Acos
只
读
存
∩/#
Y
储 器
细 分 锁 存 器
DD67 ...
D0
逻辑控制器
7.1.4 只读存储器细分
两路正交输入信号u1=Asin 和u2=Acos 分别送入两个
56k Ω 33k Ω 18k Ω 24k Ω
24kΩ 18kΩ 33kΩ 24kΩ 56kΩ 56kΩ 18kΩ 33kΩ
Ecosωt
12kΩ
33k Ω 24k Ω 18k Ω 56k Ω
-Esinωt
图7.6 电阻链五倍频细分电路
36o
∞ -+
+N
108o ∞ -+ +N
18o ∞ -+ +N
0o
A/D 转换器，将模拟信号转换为二进制数字信号X 和Y，数 值在0~255之间变化，其中“128”对应模拟输入信号的“0” 电
平。X和Y与角度对应关系如下，由此可求出 。
Y 255
128
0

128

arctan
Y X
128 128
( X 128, Y 128)


2π π
数字 滤波器
CH A
四细分 辨向电路
计数脉冲 计数方向
CH B
HCTL-2020具有的功能
细分脉冲 计数方向
级联脉冲
CNTDECR U/D
CNTCAS
12/16位 可逆计数器
计数脉冲
计数方向 Q0-Q11,15
12/16位 锁存器
Q0~Q7 Q0~Q11,15 D0~D11,15
INH
多路切换器 三态缓冲器
由四个单稳触发器和二个“与或非门”组成，利用单 稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
& A
R2
C2 DG4
1
DG2
DG8
& B
R3
C3
& B
R4
C4 DG9
1
DG7
B & ≥1 A B &
A A &
Uo1
B A &
B DG5
A & ≥1 B
8 B0~B7 8 A0~A7＊
8 D0~D7
SEL
OE
SEL OE
禁止逻辑
*HCTL-2000中A4-A7接地
7.1 直传式细分电路
* 7.1.2 电阻链分相细分电路
■ 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。 ■ 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，
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)
上，则在定尺上产生的感应电势为：
uj kv E sin(t 2 x/W ) Um sin(t j )