第7章-信号细分与辩向电路-《测控电路(第4版)》张国雄

测量与控制电路2020/2/11测控电路《测控电路》教材编写组测量与控制电路22020/2/117.信号细分与辨向电路为什么要细分？提高分辨力信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。高分辨力是高精度的必要条件。7.信号细分与辨向电路123546/20.3164μm激光干涉仪7.信号细分与辨向电路亮亮暗W20μmW光栅测量装置指示光栅主光栅受工艺和造价等限制7.信号细分与辨向电路感应同步器WW=2mm滑尺定尺受工艺和允许电流限制需要读出一个周期内的移动量:细分什么是辨向？辨向：辨别机构的移动方向由A前进至C与由A后退至B信号变化情况相同由E前进与由D后退信号变化情况相同难以根据单一信号辨向7.信号细分与辨向电路ABCDE为了辨向常需要两路信号7.信号细分与辨向电路AB前进B在A前面后退A在B前面ttuu7.信号细分与辨向电路无法根据两路相位差或的信号辨向，相位差的两路信号最可靠。900180测量与控制电路92020/2/117.1直传式细分电路7.信号细分与辨向电路直传式细分直接利用位移信号进行细分，称其为直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因为它可以由若干细分环节串联而成系统总的灵敏度Ks为各个环节灵敏度Kj(j=1~m)之积，如果个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必引起系统总的灵敏度的变化。xix1xoK1K2KmDx1x27.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路(一）四细分辨向电路细分：利用两路相位差90的信号的4个跳变沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。R&CDG21DG1AAABA单稳7.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路(一）四细分辨向电路辨向：如果A出现在B为负的半周期，则A滞后于B,正向运动；如果A出现在B为正的半周期，则A超前于B,反向运动。ABAABA前进后退7.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路(一）四细分辨向电路正向：A出现在B为负的半周期B出现在A为正的半周期A出现在B为正的半周期B出现在A为负的半周期反向：B出现在A为负的半周期A出现在B为正的半周期B出现在A为正的半周期A出现在B为负的半周期ABAB前进后退测量与控制电路132020/2/117.1直传式细分电路(一）四细分辨向电路7.信号细分与辨向电路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAABBBAAAABBB≥1≥1测量与控制电路142020/2/117.1直传式细分电路(一)四细分辨向电路ABA'B'A'B'Uo1Uo2ABA'B'A'B'Uo1Uo27.信号细分与辨向电路测量与控制电路152020/2/117.1直传式细分电路为了实现更大的细分数，需要生成具有不同相位的多个信号。将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的节点上可得到相位各不同的电信号。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。7.信号细分与辨向电路a)原理图b)相量图（二）电阻链细分)/(arctan21RR)sin(omotuuu1uou2R1R2uo112ERRR212ERRR1sinuEt2cosuEt测量与控制电路162020/2/117.1直传式细分电路电阻链五倍频细分电路7.信号细分与辨向电路（二）电阻链细分36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ12kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR36oooo1854720o90108144126162oooooo180还需要解决辨向问题，采取形成以72为周期的两路方波信号的办法o测量与控制电路172020/2/117.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路（二）电阻链细分电阻链五倍频细分电路通过一定逻辑组合，获得五倍频正余弦信号，送入四细分辨向电路，实现20细分辨向1+21+21+21231311131211356481098104Esint36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+131+28+98+95+61111312+1312+131+21231311131211356481098104Esint36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+131+28+98+95+61231311131211356481098104Esint36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+131+28+98+95+61231311131211356481098104Esint36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+131+28+98+95+6测量与控制电路202020/2/117.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路（三）计算机量化细分a）电路原理图辨向电路可逆计数器数字计算机Acos过零比较器∩/#∩/#显示电路Asin一周期内绝对码信号整周期计数周期内细分7.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路（三）计算机量化细分21cossintanuuAA21coscotsinAuAu1、4、5、8卦限2、3、6、7卦限u1u212345678卦限u1的极性u2的极性|u1|、|u2|大小1++|u1||u2|2++|u1||u2|3+|u1||u2|4+|u1||u2|5|u1||u2|6|u1||u2|7+|u1||u2|8+|u1||u2|7.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路（三）计算机量化细分12345678u1u2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+k100πk200细分为减少计算机运算时间，采用软件查表，细分速度比硬件慢，主要用于静态测量中。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-k7.2平衡补偿式细分7.信号细分与辨向电路基本原理ixox为系统输出量,是数字代码,代码多是脉冲数计数器具有积分作用sK为前馈环节的灵敏度F为反馈环节的灵敏度为系统模拟输入量,可为长(角)度,也可为幅值,相位,频率等oFi1xKxF为细分数xi-xFxF比较器FKsxo-+N∫xi感应同步器WW=2mm余弦绕组定尺正弦绕组smsinuUtcmcosuUt7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分smmmj2π2πsincoscossinsin()cxxeeekUtkUtkUtWWumsin(t+j)dj-d移相脉冲鉴相电路放大整形移位脉冲门显示电路相对相位基准分频器7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分相对相位基准既是反馈环节、又是细分机构、分频数等于细分数（一）原理。移向脉冲数代表被测量关闭移向脉冲门小于门槛值时当减小变化移向脉冲门打开增加且大于相位门槛值时变化变化djdjddjjx7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx(二）鉴相电路UdUx&&&&&UcUjUdDG1UjDG2DG3DG4DG5FxFxUcUj位移信号Ud为相位补偿信号Uc是为辨向参考信号它是Ud的倍频信号(1)根据j-d输出对应的脉宽信号Ux;(2)根据j与d的导前、滞后，确定滑尺移动方向，输出Fx或Fx问题：没有迟滞，会来回振荡7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分UdUx&&&&&UcUjUdDG1UcUjDG2DG3DG4DG5FxFxUj′Ud′RRCCUjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFx(二）鉴相电路引入迟滞，只有j-d信号延续一定时段才有输出利用Uj和Ud的延时信号Uj、Ud，只有当Uj与Ud的相位差超过一定时限才有脉宽信号Ux输出umsin(t+j)dj-d移相脉冲鉴相电路放大整形移位脉冲门显示电路相对相位基准分频器7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分(二）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e)加脉冲f)使d前移减脉冲加脉冲7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分(二）相对相位基准和移相脉冲门Ux=0:DF正常二分频Ux=1:DF不工作，输出1Fx=0:DG2关闭，减脉冲Fx=1:DG2开启，脉冲数加倍Uxn/2分频器相对相位基准移相脉冲门Ms去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&f0FxUc二分频器n/4分频器去鉴相器UdUx&&&&&UcUjUdDG1UcUjDG2DG3DG4DG5FxFxUj′Ud′RRCC7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分(三）测量速度由于在一个载波周期仅有一次比相，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nWfvnWfv7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分(三）测量速度静态测量时（指移动部件停止运动后才读数），尽管在传感器位移时会发生超过一个脉冲当量的误差，但是，一旦传感器在测量位置停下，经过一段时间，就能读得合乎精度要求的测量数据。传感器反向运动时，Ud超前于Uj，相对相位基准停止进脉冲，d-j多大，Ux脉宽就多宽，使相对相位基准少进相应的脉冲数，使Ud后延，直到达到d=j。故反向运动时系统有很强的跟踪能力。7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分UjUxDD/2UjUx没跟踪UdD无脉冲进入，等待跟踪后Ud与Uj同时翻转跟踪后Ud加倍进脉冲停止进脉冲，仍落后D/2Uj滞后Uj超前没跟踪UdUxn/2分频器相对相位基准移相脉冲门Ms去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&f0FxUc二分频器n/4分频器去鉴相器7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分(三）测量速度正向运动时Ud滞后于Uj，在Ux=1期间以加倍的速度进脉冲，只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使D＝j-d减小至D/2。第二周期又产生D，相位差扩大为(D/2)+D，经跟踪留下(D/2+D)/2；第三周期又产生D，经跟踪留下D+(D/2+D)/2；最终相位差扩大为7.信号细分与辨向电路7.2平衡补偿式细分7.2.1相位跟踪细分111222kDDDDUjUdUc