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。
■ ■
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。
■
Esint 1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4 8 10 9 8 10 4
144

108

72

36

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 sin cos -sin 绝对零位 -5V 1 14 QA 740204 7 8 +5V O1 O2 0位 0位 基准0V 1 sin cos -sin 14 QA 740204 7 20Ω 8 +5V O1 O2 0位 0位
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
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。
DG3 & A
B & ≥1 B &
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 E cos 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 ) U m sin( t j )
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，提高仪器的分辨率；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 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 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。
CNTCAS
12/16位 锁存器
Q0~Q7 Q0~Q11,15
多路切换器 三态缓冲器 8 B ~B 0 7 8 A ~A ＊ 8
0 7
D0~D11,15
INH
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
■ ■
■
7.2 平衡补偿式细分
x i- x F ∫ Ks F + N xo
xi
比较器 xF
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。
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 1 2 3 4 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|
7.1.2 电阻链分相细分电路
7.1.2.1 原理
u2 R2 uo R1 u1
uo R2 R1 R 2 u1 R1 R1 R 2 u2
2
设 u1=Esint ，u2=Ecost ，则
u2 uo
ER1 R1 R2

u1
ER2 R1 R2
E R1 R 2
2
( R 2 sin t R1 cos t ) U om sin( t )
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， m 则输出量变为：
xo K S xi
K
j1
Sj
xj
KSj ——由于xj引起输出变化的灵敏度，Ksj=Kj+1…Km。
R1
1 A DG1 R2 1 DG2 R3 1 B
C1
A
& A
C2 DG4 DG8 & B C3 & B R4 1
A A &
Uo1
B A &
B DG5
A & ≥1 B B & A A & B A &
Uo2
DG6
C4 DG9
DG7
B
DG10
7.1.1.1 单稳四细分辨向电路
A A B
■
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。
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，满足四细分电路对输入信号要求； 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。
7.1.4 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
. . .
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 。
7.1.3.3 量化细分技术
过零 比较器 Asin Acos ∩/# ∩/# 辨向 电路 可逆 计数器 u1 u2
数字 计算机
显示电路
1 2 3 4 5 6
7 8
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。
Y 255
Y 128 arctan 128, Y 128) (X X 128 Y 128 2 π arctan 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 128
X1 T1 T0
1
X0 T0
2
X2 T2
位移量：X
X1 X0 X 2 (
T1 T01
M
T2 T02
)W
最大细分数：N max W / x
( x —— 综合误差)
细分脉冲最小周期： min W / ( N ma x v max ) —— 决定分频数 T
7.1.3 微型计算机细分
90o
= 1 4
五倍频 五倍频
54o
1 2 13 12
= 1 3
33kΩ
24kΩ
18kΩ
56kΩ
72o
-Esinωt
144o
= 1 11
9 8
126o
= 1 10
图7.6 电阻链五倍频细分电路
UR=0
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)；
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。
■
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：
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。
18o
5 =1 4 6 13 12
0o
∞ - + +N
∞ - + +N ∞ - + +N ∞ - + +N ∞ - + +N ∞ - + +N ∞ - + +N
பைடு நூலகம்
= 1 11
162o 18kΩ 24kΩ 56kΩ 33kΩ 12kΩ
9 8 6 5
= 1 10
Ecosωt 24kΩ 56kΩ 33kΩ 18kΩ
U om
E R1 R2
R1 R2
arctan
R1 R2
(超前)
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。
36o
∞ - + +N ∞ - + +N ∞ - + +N 1 =1 3 2
108o
12kΩ Esinωt 56kΩ 33kΩ 18kΩ 24kΩ
B
A' B' A
B
A'
B' A
B
Uo1 Uo2
Uo1 Uo2
正向运动(A超前B 90 )
反向运动(A滞后B 90 )
7.1.1.2 HCTL-20XX系列四细分辨向电路
HCTL-2020具有的功能
CLK CK 细分脉冲 计数方向 级联脉冲 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 12/16位 可逆计数器 计数脉冲 计数方向 Q0-Q11,15 CNTDECR U/D