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第七章 信号细分与辨向电路 1 信号细分电路概念： 概 述 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。 随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分 辨率越来越高，同时成本却在不断降低，电路细分 已经成为人们提高仪器分辨率的主要手段之一。 2 概 述 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。 细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，本 章内容主要针对测控系统中应用广泛的位移信号，如 来自光栅、磁栅、激光干涉仪等的信号细分。 这类信号的共同特点是： 3 电路细分原因： 概 述 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 细分的基本原理： 概 述 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。 5 辨向的问题： 概 述 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 细分电路的分类： 概 述 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 第二节 平衡补偿式细分电路 概 述 8 xi x1 xo K1 K2 Km x1 x2 7.1 直传式细分电路 直传式细分电路由若干环节串联而成。 输入量：来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信 号或者相移为900的两路方波最为常见。 输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号 ，有时为可供计算机直接读取的数字信号。 中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、 比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向 末端传递信息直传的意思。 9 系统灵敏度： Ksj xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1Km 7.1 直传式细分电路 电路结构属于开环系统，系统总的灵敏度(也称传递函数) Ks 为各个环节灵敏度Kj(j=1m)之积。 如果个别环节灵敏度Kj发生变化，它势必会引起系统总的灵 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 时，都会引起输出量xo的变化，此时： 10 直传系统特点： 7.1 直传式细分电路 直传式系统信号单向传递，故越在前面的环节，其输 入变动量所引起的xo的变动量越大。因此要保持系统的 精度必须稳定各环节的灵敏度，特别是减少靠近输入端 的环节的误差。 11 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。 7.1 直传式细分电路 12 典型的直传式细分电路 7.1 直传式细分电路 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 13 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。 7.1.1 四细分辨向电路 四细分辨向电路是最为常用的细分辨向电路。 14 单稳四细分辨向电路 7.1.1 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。 15 DG7 & & & & & & & & UO1 DG5 UO2 DG10 R1 & & 1 & &1 1 A 1 DG1 C1 DG3 R2 DG2 C2DG4 DG8 R3 C3 C4DG9 R4 DG6 A A B B B B B A A A A 1 B B B A A A A B B B 1 图7-2 单稳四细分辨向电路 A A B B 16 A B A B Uo1 Uo2 a) A B A B Uo1 Uo2 b) 17 电阻链分相细分是应用很广的细分技术，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。 7.1.2 电阻链分相细分 18 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 。 7.1.2 电阻链分相细分 u1 u2 uo u2 R1 R2 uo u1 输出电压的幅值与相位都与R1 和R2的比值有关。 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。 19 36o 108o 18o 0o 162o 90o 54o 72o 144o 126o 56k 33k 18k 24k 18k 24k 56k 33k 24k 33k 56k 18k 33k 24k 18k 56k 12k 12k 1 2 3 5 6 4 13 12 11 9 8 10 6 5 4 1 13 12 11 8 9 10 Esint Ecost -Esint - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N - + + N = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 2 3 = 1 = 1 = 1 UR 电阻链五倍频细分电路 20 1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4 8 10 9 8 10 4 Esint 五倍频细分电路的波形 21 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。 7.1.2 电阻链分相细分 22 微型计算机具有丰富的运算和逻辑功能，它可用来 完成细分，从而简化仪器电路（硬件）结构，增强仪 器功能，提高仪器精度。 7.1.3 微型计算机细分 23 1 2 3 4 5 6 7 8 u1 u2 b) 卦限图 两路原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入。微机 通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现8细分。 7.1.3 微型计算机细分 辨向 电路 可逆 计数器 数字 计算机 Acos 过零 比较器 /# /# 显示电路 a) 电路原理图 Asin 24 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| 7.1.3 微型计算机细分 25 在一个卦限内，按信号绝对值比值大小，还可以再实现若干细分 。 7.1.3 微型计算机细分 或 1 2 3 4 5 6 7 8 u1 u2 b) 卦限图 在1、4、5、8卦限用|tan|，在2、 3、6、7卦限用|cot|。上述卦限中的 |tan|或|cot|值都在0到1之间变化， 因而可用00450间的|tan|值来表示 。这样，在计算机中固化一个表， 如果每卦细分数为N，则用N个存储 单元固化00450间N个正切值。 两信号|u1|、|u2|的比值可按： 26 7.1.3 微型计算机细分 例如N=25，经8细分后的每个卦限再被细分成25份，微 机在此表中查询与已算得的|tan|值或|cot|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 对应的细分数x由下列公式决定： 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 然后计算x对应的被测量，也就实现了细分。 27 n优点： 7.1.3 微型计算机细分 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。 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 要花更多的时间；通过修改程序和正 切表，很容易实现高的细分数。 n缺点： 28 只读存储器 减 计数锁存器 周期计数器 逻辑控制器 Asin Acos X Y 细分锁存器 加减 信号 发生 器 加 /# /# D0 D6 D7 D8 D9 . . . . . . 7.1.4 只读存储器细分 只读存储器细分是微型计算机细分的发展，旨在解决微机 细分中软件查表速度慢的问题，改软件查表为硬件查表。 29 0 128 255X Y 255 128 图7-10 模/数转换结果与对应角度的关系 7.1.4 只读存储器细分 30 7.1.4 只读存储器细分 只读存储器细分速度较快，可满足几十千赫兹到上百千 赫兹信号细分的要求，随着电子工业的飞速发展，模/数 转换器的速度将不断提高，只读存储器方法的细分速度可 望得到进一步提高。同时由于其细分数较高，电路相对简 单的特点，这种细分方法具有广泛的应用前景。 31 7.2 平衡补偿式细分电路 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，也用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分方法可实现高 的细分数，例如2000，甚至10000。 平衡补偿式细分电路的相应速度一般比直传式细分电路 的低，如果测量速度过快，就会发生跟踪不上，甚至失步 的问题。为保证精度，必须限制测量速度。 比较器 F Ks xo xi -+ N xF xi-xF 门槛电压不能太小 32 平衡补偿式细分电路 相位跟踪细分 7.2 平衡补偿式细分电路 33 原理 7.2.1 相位跟踪细分 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。 相位跟踪细分属于平衡式细分，它的输入信号一般为 相位调制信号： Um、 载波信号的振幅和角频率； 34 鉴相电路移位脉冲门 相对相位 基准分频器 显示电路 放大 整形 umsin(t+j) d j-d 移相脉冲 图712 相位跟踪细分框图 7.2.1 相位跟踪细分 35 鉴相电路 7.2.1 相位跟踪细分 鉴相电路要做三方面的工作： n 确定偏差信号j-d是否超过门槛； n 输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号 n 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 36 Ud UX & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uj DG2 DG3 DG4 DG5 FX FX a) Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx b) c) 此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题。 Uc 7.2.1 相位跟踪细分 鉴相电路 37 Ud UX & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uj DG2 DG3 DG4 DG5 FX FX Uj Uc Ud R R C C a) Uj Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx b) Uj Ud Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx c) 有门槛的鉴相电路 Uj的上升滞后与Uj 的上升。若Uj与Ud的相 位差很小