第7章信号细分与辨向PPT课件
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细分电路是精密计量仪器的重要组成部分， 它的功用是提高仪器的分辨率，同时使测量信号 数字化。
n
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
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
KsK1K2 Km
x1
xi K1
x1
K2
x2
Km
xo
图7-1
机计算及处理技术紧密结合与应用，又促进了
检测及计量仪器数字化。
n
数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，
能较好地解决量程与分辨率的矛盾。易于集成
化，抗干扰能力强，便于动态采样和记忆保存，
便于与计算机联用。所以数字式检测及计量仪
器得到广泛应用。
数字式检测和计量仪器的信息获取，主要采 用感应同步器、计量光栅、磁栅、激光等做测量 标尺，提取直线或角度位置的检测和计量信息。 同时为了提高检测装置的分辨率和确定移动方向。 常采用细分和变向电路，且使测量信号数字化及 显示。
n 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。
n 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
n 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。
n 正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。
第7章 信号细分与辨向电路
n 概述 n 直传式细分电路 n 平衡补偿式细分电路
整体概况
+ 概况1
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概况2
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概况3
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概述
n 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。
情况下，栅距是4μm的光栅，可达到1 μm的分
辨率。
n
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。
n
用电路来完成细分任务叫电子细分，是本
节要讲述的内容。
7.1 直传式细分电路
n 直传式细分电路由若干环节串联而成。如下
n 图所示。
n 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
n 缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
n 优点：直传系统没有反馈比较过程，电 路结构简单、响应速度快，有着广泛的 应用。
典型的细分电路:
☆ 四细分辨向电路
☆ 电阻链分相细分
☆ 微型计算机细分
☆ 只读存储器细分
7.1.1 四细分辨向电路
n 输入信号：具有一定相位差(通常为90)的 两路方波信号。
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。
计数脉冲
计数方向 Q0-Q11,15
HCTL-2020具有的功能
12/16位 锁存器
Q0-Q7 Q0-Q11,15
D0-D11,15
细分脉冲 CNTDECR 计数方向 U/D
级联脉冲 CNTCAS
多路切换器
三态缓冲器 8 B0-B7
细分电路分类：
n 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。
n 细分的方法有机械细分、光学细分、电子细分和微 机细分等。
n
数字式检测和计量仪器随着激光、光栅、
磁栅感应同步器等技术的迅猛发展，数字式测
量仪器也越来越多，特别是各种仪器电路与微
B'
Uo1
Uo1
Uo2
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
CK
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
CH B
SEL OE
禁止逻辑
12/16位 可逆计数器
n 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。
n 电路细分原因：
n
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。
n 细分的基本原理：
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
m
x0 Kixi Ksjxj
j1
式中 KsjKj1Km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 于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响 应速度较快。
1 A
DG1Baidu Nhomakorabea
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
& A
R2
C2 DG4
1
DG2
DG8
& B
R3
C3
& B
C4 DG9 R4 1
DG7
B & ≥1
A B
&
A A &
UO1
B
A &
B DG5
A & ≥1 B B &
A A &
UO2
B A & B
DG10
图7-2 单稳四 细分辨向电路
A
A
B
B
A'
A'
B'
n
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
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
KsK1K2 Km
x1
xi K1
x1
K2
x2
Km
xo
图7-1
机计算及处理技术紧密结合与应用，又促进了
检测及计量仪器数字化。
n
数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，
能较好地解决量程与分辨率的矛盾。易于集成
化，抗干扰能力强，便于动态采样和记忆保存，
便于与计算机联用。所以数字式检测及计量仪
器得到广泛应用。
数字式检测和计量仪器的信息获取，主要采 用感应同步器、计量光栅、磁栅、激光等做测量 标尺，提取直线或角度位置的检测和计量信息。 同时为了提高检测装置的分辨率和确定移动方向。 常采用细分和变向电路，且使测量信号数字化及 显示。
n 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。
n 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
n 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。
n 正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。
第7章 信号细分与辨向电路
n 概述 n 直传式细分电路 n 平衡补偿式细分电路
整体概况
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概况3
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概述
n 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。
情况下，栅距是4μm的光栅，可达到1 μm的分
辨率。
n
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。
n
用电路来完成细分任务叫电子细分，是本
节要讲述的内容。
7.1 直传式细分电路
n 直传式细分电路由若干环节串联而成。如下
n 图所示。
n 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
n 缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
n 优点：直传系统没有反馈比较过程，电 路结构简单、响应速度快，有着广泛的 应用。
典型的细分电路:
☆ 四细分辨向电路
☆ 电阻链分相细分
☆ 微型计算机细分
☆ 只读存储器细分
7.1.1 四细分辨向电路
n 输入信号：具有一定相位差(通常为90)的 两路方波信号。
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。
计数脉冲
计数方向 Q0-Q11,15
HCTL-2020具有的功能
12/16位 锁存器
Q0-Q7 Q0-Q11,15
D0-D11,15
细分脉冲 CNTDECR 计数方向 U/D
级联脉冲 CNTCAS
多路切换器
三态缓冲器 8 B0-B7
细分电路分类：
n 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。
n 细分的方法有机械细分、光学细分、电子细分和微 机细分等。
n
数字式检测和计量仪器随着激光、光栅、
磁栅感应同步器等技术的迅猛发展，数字式测
量仪器也越来越多，特别是各种仪器电路与微
B'
Uo1
Uo1
Uo2
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
CK
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
CH B
SEL OE
禁止逻辑
12/16位 可逆计数器
n 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。
n 电路细分原因：
n
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。
n 细分的基本原理：
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
m
x0 Kixi Ksjxj
j1
式中 KsjKj1Km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 于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响 应速度较快。
1 A
DG1Baidu Nhomakorabea
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
& A
R2
C2 DG4
1
DG2
DG8
& B
R3
C3
& B
C4 DG9 R4 1
DG7
B & ≥1
A B
&
A A &
UO1
B
A &
B DG5
A & ≥1 B B &
A A &
UO2
B A & B
DG10
图7-2 单稳四 细分辨向电路
A
A
B
B
A'
A'
B'