第7章 信号细分与辨向电路

只读存储器细分

128
0
128
255
7.2 平衡补偿式细分
平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节距大的感应同步器、 容栅式仪器中,也可用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分技术可 实现高的细分数，例如2000，甚至一万。平衡补偿式细分电路 可分为跟踪式细分电路和程序平衡式细分电路。 跟踪式细分电路是一种带有负反馈回路的闭环系统,原理
单稳四细分辨向电路
B下降沿的时候，B′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。
∴Uo1在正向运动时，插入了四个为零的计数脉冲，Uo2一直为高电平。
反 向 运 动
反之：反向运动时，B在A的前面，这时在Uo2中输入了四个为零的计数脉冲，Uo1 无输出，一直为高电平 ∴DG5 ——Uo1 DG10——Uo2 哪一个输出关系着辨向
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



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。
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。
概述
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctan R2 30
R
R1 R2 12 K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ 60°:
arctan
R1 60 R2
R1 R2 12 K
根据上述原理，已制成集成电路C5194、C5191
A
1
&
A DG4
R DG1 C DG2
图为一单稳辨向电路，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。
1
Uo1
DG3 B
&
Uo2 DG5
可见，当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A 90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。

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。

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。


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
根据叠加原理：
uo R2 E sin t R1 E cost R1 R2 R1 R2
2 E R12 R2
uo的幅值： u om
R1 R2
uo的相位： arctan
图7-5 电阻链分相细分
uo uom sin(t )
1 ~ R 相关 2
R1 R2
b） 卦限图
1、4、5、8卦限
2、3、6、7卦限
tan
A sin A cos

u1 u2
cot
A cos A sin

u2 u1
微机按照上表内容可判别信号所在的挂限，也就实现了8细分。
u1 u2
1
2
3
4
5
6
7
8
如果每个卦限细分数为N（如 N=25）则用N个存储单元固化 0°~ 45°间N个正切值,微机在此 表中查询与已计算的正切或者余 切值最接近的存储单元，如果该 存储单元是正切表的第K个单元， 则相位角的细分数x由以下公式决 定。
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Ks。F为反馈环节的灵敏度。反馈环节的输入
a) 原理图
b) 矢量图
R
uom~ R1 相关
R2
所以改变R1、R2比值，就能 改变φ、uom，uo的终点是沿 直线运动， φ=45°时，uom 有最小值。
这里讲的的是0° ~90° 第一象限的情况。 同理： cosωt -sinωt -sinωt -cosωt -cosωt sinωt
Ecosωt 90° ~180° 移相 0° ~90° 移相
. . .
D0
逻辑控制器
两路正交输入信号u1=Asin 和u2=Acos 分别送入两个 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
Y 128 arctan 128, Y 128) (X X 128 2π arctan Y 128 128, Y 128) (X X 128 π 128, Y 128) (X 2 3π 128, Y 128) (X 2 Y 128 π arctan ( X 128) X X 128
式中Um、 ——载波信号的振幅和角频率； 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。
—— 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
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
二、电阻链分相细分
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
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： s E sin t 和 u uc Ecos t ，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 )
Asin Acos
∩/# ∩/# 周期内细分 数字计算机
a） 电路原理图
显示电路
微机通过判别信号的极性和绝对值大小，实现8细分。图(b) 为波形图，把 一个信号分为8个区间，称为卦限，每卦45度。
卦限 u1 u2 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 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|
■
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。
只读存储器细分
改软件查表为硬件查表
加减 加 信号 发生 减 器
周 期 计 数 器
计 数 锁 存 器
. . .
D9 D8
∩/# Asin ∩/#
X
Acos
Y
只 读 存 储 器
细 分 锁 存 器
D7 D6
R1=7.61 KΩ，R2=4.39 KΩ
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。
三 微型计算机细分
原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入
过零 比较器 整周期计数 辨向电路 可逆计数器
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,在前馈回路中常采
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
一、四细分辨向电路
要求：输入两路具有90°相位差的方波信号。
A B
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。 原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。
DG3 & A
Vo2
Vo
A在上边沿的时候，进入暂态，触发 一个窄脉冲A
例：若采用这种移相桥实现12细分，所有的电位器电阻值均为12KΩ，计 算第一象限的各电阻值分阻阻值。
Ecosωt
360 30 12
每个象限内相位差30°
0° ~90° 移相
R1
90° ~180° 移相
R2
0°:
arctan
R1 0 R2
R1 R2 12 K
Esinωt
用积分环节。
可见, KF由F决定, 与Ks无关，或关系极小。仅
要求F够大，可放宽对Ks的线性稳定性要求，这
是系统抗干扰能力强的原因之一； F要精确、稳
定。反馈环节通常是数字分频器，它比较容易做 得精确、 稳定，这是系统本身能有高精度的重要 原因; KF是F的倒数，系统的细分数就等于分频器 的分频数，分频数比较容易做得大,因而系统能实 现高的细分数。反馈环节就是细分机构。
Km
xo
直传式细分原理图
K1、K2、‥ ‥Km为各个环节的灵敏度 中间环节可能是波形变换电路、比较器或D/A等等。
∴总的灵敏度：Ks=K1K2¨¨Km
越靠近输入端，越要做的精细。
x o K s x i K sj x j
Baidu Nhomakorabeaj 1
m
Ksj ——xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1…Km
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。
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。
7.1 直传式细分
x1 xi K1 x1 K2 x2
可以得到各个象限的各 相输出电压，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。 电阻并联桥，在四个象限内依次有一个相位差的 若干输出电压。
-Esinωt Esinωt
~
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相 -Ecosωt
R1 相关 R2
每一个臂上都是电位器，可以用来调整相位。
200细分
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
第2卦限， x=50-k 第4卦限， x=100-k 第6卦限， x=150-k 第8卦限， x=200-k
■
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。
R1 VI A DG1 1
Vo1
C1
稳定时：VI=0，Vo1=1，Vo2=1，Vo=0 上升沿来：VI=1，Vo1=0，Vo2=1，Vo=1 电容C1开始通过电阻R1放电，当电阻两端下 降到VTH时，Vo=0，退出暂态。
阈值电平
稳态 暂态
典型的积分式单稳触发器
A′ B′
正 向 运 动
第1个过程： A上升沿的时候，A′产生一个窄脉冲。 B=0，B=1，DG10、DG5为与或非门。Uo1有计数脉 冲输出，Uo2无输出。 B上升沿的时候，B′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。 A下降沿的时候，A′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。

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。
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。