四川大学测控电路课件第七章
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5
概述
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。
6
概述
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。
7
第一节 直传式细分电路
xi K1
x1
x1 K2
x2
Km
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。
27
只读存储器细分
Asin Acos
∩/# X
只
读
存
∩/#
Y储 器
加减 加
周 期
计
信号
计
数
.
发生
数
锁
.
器减 器
存
.
器
DD89
细
DD67
分 锁 存
. . .
器
D0
逻辑控制器
图7-9 只读存储器细分原理图
计数脉冲
计数方向
CH B
SEL OE
禁止逻辑
12/16位 可逆计数器
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
INH
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
缺点: 对输入信号的角频率的稳定性要求高，而且输 入信号只有一个，不能辨向，主要用于回转部 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。
43
习题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、
41
跟踪误差: 锁相倍频器对输入信号的角频率的稳定 性要求相当高，它能够对输入信号相位 变化进行跟踪，但它是一个有差系统， 当fi发生变化后，为使fo/n能跟踪fi的变化， 必须要求压控振荡器的控制电压Uc发生 变化，也就是说fi与fo/n之间存在不同的 相位差，这就是跟踪误差。
42
优点: 结构较简单，易于实现高的细分数，对信号失 真度无严格要求。
Asin Acos
原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入
过零 比较器
辨向 电路
∩/# ∩/#
可逆 计数器
数字 计算机
u1
u2
123 4 567 8
显示电路
a)
b)
图7-8 微型计算机细分
a） 电路原理图
b） 卦限图
25
卦限 u1的极性 u2的极性 |u1|、|u2|大小
1
+
+
2
+
+
3
+
4
+
5
6
7
+
8
+
|u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2| |u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2|
26
微型计算机细分
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 接算反函数或，要化更多的时间；通过 修改程序和正切表，很容易实现高的细 分数。
8 A0-A7＊
8 D0-
D7
SEL
OE
*HCTL-2000中A4-A7接地
图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图
17
EPROM抗干扰四细分
D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2
A
D3 Q3
CP
B
374
时钟
A0 O0 A1 O1 A2 O2 A3 O3
2716
8253计数
89 C51 正向计数脉冲输出 反向计数脉冲输出
&
&
Uc
Fx
Ms
DG2
DG3
去数显电路
Ux
移相脉冲门
图7-16 相对相位基准与移相脉冲
38
4．测量速度
动态测量时（指在部件移动过程中就要读出它
的位移），为使测量速度引起的误差不超过一
个细分脉冲当量，就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
百度文库
V W 或 V Wf
fn
n
(7-10)
&
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
15
A
A
B
B
A'
A'
B'
B'
Uo1
Uo1
Uo2
Uo2
a) 图7－3
b)
16
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
CLK
CK
施密特 数字 触发器 滤波器
CH A
四细分 辨向电路
∞ +
+N
126o ∞ -+ +N
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
9 = 1 10 8
图7-6
21
电压比较器一般接成施密特触发电路的形式， 使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发 电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压 大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发 点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干 扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触 发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差， 因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两 方面的因素。
10
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
11
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
a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图
36
3. 相对相位基准和移相脉冲门
a) 时钟脉冲
b) 正常分频
c) 减脉冲 d) 使d延后 减脉冲 e) 加脉冲
f) 使d前移
加脉冲
图7-15 加减脉冲改变d 原理图
37
Ux f0
S D
C R
DF
n/2分频器
&
n/4分频器
DG1 相对相位基准
二分频器 Ud
此鉴相电路 没有门槛， 会有在平衡 点附近振摆 跟踪的问题
35
C
R
Uj ′
Uj
&
Ud Uc
DG1
Uc
&
Uj
Ud
DG2
R
Ud′
C
Uj
Uj
Ud
Uc
DG1
DG2
Ux
Fx
& DG4 & UX DG3 & DG5
Uj Ud Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
FX a)
FX
c) b)
图7-14 有门槛的鉴相电路
xo
图7-1
Ks=K1K2K3…Km
8
m
xo Ksxi Ksjxj
j1
Ksj ——xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1…Km
由于Ks的变化和xj的存在会使达到相同 xo所需的xi值发生变化，即使细分点的位 置发生变化。
9
缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
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。
8253计数
18
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
19
电阻链分相细分
1. 原理
设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有
j——调制相移角，j通常与被测位移 x成正比，j=2x/W，W为标尺节距。
32
umsin(t+j)
放大 整形
鉴相电路 j-d 移位脉冲门
d
移 相
相对相位 基准分频器
脉 冲
显示电路
图7－12 相位跟踪细分框图
33
2. 鉴相电路
鉴相电路要做三方面的工作：
确定偏差信号j-d是否超过门槛；
输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号
Ecosωt 24k 33k 56k 18k Ω Ω ΩΩ
12kΩ
33k 24k 18k 56k Ω ΩΩΩ
-Esinωt
UR
36o -
∞ +
+N
108o -
∞ +
+N
18o -
∞ +
+N
0o -
∞ +
+N
162o -
∞ +
+N
90o ∞ -+ +N
54o -
∞ +
+N
72o -
∞ +
+N
144o -
式中，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。
39
2π V
(7-11)
fW V
40
四、频率跟踪细分——锁相倍频细
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
fi
fo
fo/n
n分频器
图7-29 锁相倍频细分原理图
此系统由四个主要部件——鉴相器、环路滤波器、 压控振荡器和n分频器组成。
第七章 信号细分与辨向电路
概述 第一节 直传式细分电路 第二节 平衡补偿式细分电路
1
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。
2
概述
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。
22
Esint
1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4 8 10 9 8 10 4
电阻链分相细分
图 7.7
23
电阻链分相细分
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，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。
24
微型计算机细分
Uo1、Uo2的波形。
A
1
R
& A DG4
DG1
C DG2
& Uo1
1
DG3 B
&
Uo2
DG5
44
确定j与d的导前、滞后关系，以确定滑
尺移动方向，也就是辨向
34
Uj
&
&
Ud
DG1
DG4
FX
Uc
& UX
DG3
&
&
Uc
Uj
DG2
Ud
DG5
FX
a)
Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
b)
Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
c)
图７－13 鉴相电路 a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图
( X 128 )
图7-10 模/数转换结果与对应角度的关系
29
第二节 平衡补偿式细分
比较器 xi- xF Ks xi
xF
F
∫
+ N-
xo
图7-11 平衡式细分原理图
30
闭环系统的灵敏度
KF
xo xi
1 F
31
一、相位跟踪细分
1． 原理
uj=umsin(t+j)
（7-9）
um、 ——载波信号的振幅和角频率；
12
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
13
A R
1
&
A
DG4
DG1
C
DG2
& Uo1
1
DG3 B
Uo2 &
DG5
14
1 A
DG1
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
交流电压u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost
u2
u2
uo
R2
uo
ER 1 R1 R2
R1
u1
u1
ER 2
R1 R2
图7-5 电阻链分相细分
a) 原理图 b) 矢量图
20
2. 电阻链五倍 频细分电路
Esinωt 56k 33k 18k 24k Ω Ω ΩΩ
12kΩ
18k 24k 56k 33k Ω Ω ΩΩ
3
概述
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。
4
概述
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。
28
Y 255
128
0
128 255
arctg 2π
Y 128
X 128 arctg Y
128
X 128
π
2 3π
2
π arctg Y 128
X 128
X
( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 )
概述
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。
6
概述
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。
7
第一节 直传式细分电路
xi K1
x1
x1 K2
x2
Km
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。
27
只读存储器细分
Asin Acos
∩/# X
只
读
存
∩/#
Y储 器
加减 加
周 期
计
信号
计
数
.
发生
数
锁
.
器减 器
存
.
器
DD89
细
DD67
分 锁 存
. . .
器
D0
逻辑控制器
图7-9 只读存储器细分原理图
计数脉冲
计数方向
CH B
SEL OE
禁止逻辑
12/16位 可逆计数器
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
INH
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
缺点: 对输入信号的角频率的稳定性要求高，而且输 入信号只有一个，不能辨向，主要用于回转部 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。
43
习题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、
41
跟踪误差: 锁相倍频器对输入信号的角频率的稳定 性要求相当高，它能够对输入信号相位 变化进行跟踪，但它是一个有差系统， 当fi发生变化后，为使fo/n能跟踪fi的变化， 必须要求压控振荡器的控制电压Uc发生 变化，也就是说fi与fo/n之间存在不同的 相位差，这就是跟踪误差。
42
优点: 结构较简单，易于实现高的细分数，对信号失 真度无严格要求。
Asin Acos
原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入
过零 比较器
辨向 电路
∩/# ∩/#
可逆 计数器
数字 计算机
u1
u2
123 4 567 8
显示电路
a)
b)
图7-8 微型计算机细分
a） 电路原理图
b） 卦限图
25
卦限 u1的极性 u2的极性 |u1|、|u2|大小
1
+
+
2
+
+
3
+
4
+
5
6
7
+
8
+
|u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2| |u1|〈|u2| |u1|〉|u2| |u1|〉|u2| |u1|〈|u2|
26
微型计算机细分
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 接算反函数或，要化更多的时间；通过 修改程序和正切表，很容易实现高的细 分数。
8 A0-A7＊
8 D0-
D7
SEL
OE
*HCTL-2000中A4-A7接地
图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图
17
EPROM抗干扰四细分
D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2
A
D3 Q3
CP
B
374
时钟
A0 O0 A1 O1 A2 O2 A3 O3
2716
8253计数
89 C51 正向计数脉冲输出 反向计数脉冲输出
&
&
Uc
Fx
Ms
DG2
DG3
去数显电路
Ux
移相脉冲门
图7-16 相对相位基准与移相脉冲
38
4．测量速度
动态测量时（指在部件移动过程中就要读出它
的位移），为使测量速度引起的误差不超过一
个细分脉冲当量，就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
百度文库
V W 或 V Wf
fn
n
(7-10)
&
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
15
A
A
B
B
A'
A'
B'
B'
Uo1
Uo1
Uo2
Uo2
a) 图7－3
b)
16
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
CLK
CK
施密特 数字 触发器 滤波器
CH A
四细分 辨向电路
∞ +
+N
126o ∞ -+ +N
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
9 = 1 10 8
图7-6
21
电压比较器一般接成施密特触发电路的形式， 使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发 电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压 大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发 点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干 扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触 发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差， 因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两 方面的因素。
10
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
11
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
a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图
36
3. 相对相位基准和移相脉冲门
a) 时钟脉冲
b) 正常分频
c) 减脉冲 d) 使d延后 减脉冲 e) 加脉冲
f) 使d前移
加脉冲
图7-15 加减脉冲改变d 原理图
37
Ux f0
S D
C R
DF
n/2分频器
&
n/4分频器
DG1 相对相位基准
二分频器 Ud
此鉴相电路 没有门槛， 会有在平衡 点附近振摆 跟踪的问题
35
C
R
Uj ′
Uj
&
Ud Uc
DG1
Uc
&
Uj
Ud
DG2
R
Ud′
C
Uj
Uj
Ud
Uc
DG1
DG2
Ux
Fx
& DG4 & UX DG3 & DG5
Uj Ud Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
FX a)
FX
c) b)
图7-14 有门槛的鉴相电路
xo
图7-1
Ks=K1K2K3…Km
8
m
xo Ksxi Ksjxj
j1
Ksj ——xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1…Km
由于Ks的变化和xj的存在会使达到相同 xo所需的xi值发生变化，即使细分点的位 置发生变化。
9
缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
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。
8253计数
18
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
19
电阻链分相细分
1. 原理
设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有
j——调制相移角，j通常与被测位移 x成正比，j=2x/W，W为标尺节距。
32
umsin(t+j)
放大 整形
鉴相电路 j-d 移位脉冲门
d
移 相
相对相位 基准分频器
脉 冲
显示电路
图7－12 相位跟踪细分框图
33
2. 鉴相电路
鉴相电路要做三方面的工作：
确定偏差信号j-d是否超过门槛；
输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号
Ecosωt 24k 33k 56k 18k Ω Ω ΩΩ
12kΩ
33k 24k 18k 56k Ω ΩΩΩ
-Esinωt
UR
36o -
∞ +
+N
108o -
∞ +
+N
18o -
∞ +
+N
0o -
∞ +
+N
162o -
∞ +
+N
90o ∞ -+ +N
54o -
∞ +
+N
72o -
∞ +
+N
144o -
式中，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。
39
2π V
(7-11)
fW V
40
四、频率跟踪细分——锁相倍频细
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
fi
fo
fo/n
n分频器
图7-29 锁相倍频细分原理图
此系统由四个主要部件——鉴相器、环路滤波器、 压控振荡器和n分频器组成。
第七章 信号细分与辨向电路
概述 第一节 直传式细分电路 第二节 平衡补偿式细分电路
1
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。
2
概述
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。
22
Esint
1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4 8 10 9 8 10 4
电阻链分相细分
图 7.7
23
电阻链分相细分
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，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。
24
微型计算机细分
Uo1、Uo2的波形。
A
1
R
& A DG4
DG1
C DG2
& Uo1
1
DG3 B
&
Uo2
DG5
44
确定j与d的导前、滞后关系，以确定滑
尺移动方向，也就是辨向
34
Uj
&
&
Ud
DG1
DG4
FX
Uc
& UX
DG3
&
&
Uc
Uj
DG2
Ud
DG5
FX
a)
Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
b)
Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
c)
图７－13 鉴相电路 a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图
( X 128 )
图7-10 模/数转换结果与对应角度的关系
29
第二节 平衡补偿式细分
比较器 xi- xF Ks xi
xF
F
∫
+ N-
xo
图7-11 平衡式细分原理图
30
闭环系统的灵敏度
KF
xo xi
1 F
31
一、相位跟踪细分
1． 原理
uj=umsin(t+j)
（7-9）
um、 ——载波信号的振幅和角频率；
12
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
13
A R
1
&
A
DG4
DG1
C
DG2
& Uo1
1
DG3 B
Uo2 &
DG5
14
1 A
DG1
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
交流电压u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost
u2
u2
uo
R2
uo
ER 1 R1 R2
R1
u1
u1
ER 2
R1 R2
图7-5 电阻链分相细分
a) 原理图 b) 矢量图
20
2. 电阻链五倍 频细分电路
Esinωt 56k 33k 18k 24k Ω Ω ΩΩ
12kΩ
18k 24k 56k 33k Ω Ω ΩΩ
3
概述
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。
4
概述
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。
28
Y 255
128
0
128 255
arctg 2π
Y 128
X 128 arctg Y
128
X 128
π
2 3π
2
π arctg Y 128
X 128
X
( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 ) ( X 128 , Y 128 )