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。测控电路课程论文信号细分与辨向电路目录第一章 前言第二章 直传式细分电路一、 四细分辨向电路二、 电阻链分相细分三、 微型计算机细分第三章 平衡补偿式细分 一、 相位跟踪细分二、 幅值跟踪细分三、 脉冲调宽型幅值跟踪细分四、 频率跟踪细分锁相倍频细分第四章 结论第一章 前言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以提高仪器分辨力的一种重要方法。随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分辨力越来越高，同时成本却不断降低，电路细分已经成为人们提高仪器分辨力的主要手段之一。细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，本文的内容只要针对测控系统中应用广泛的线位移信号和转动信号，如来自光栅、感应同步器、磁栅、容栅和激光干涉仪等信号的细分。这类信号的共同特点是：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。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。细分的基本原理是：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，从而获得比一个信号周期更高的分辨力。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。细分电路按照工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。细分电路所处理的信号有已调制信号和非调制信号，因而又可分为已调制信号细分和非调制信号细分电路。第二章 直传式细分电路直传式细分电路由若干环节串联而成，细分电路的输入量为xi，一般是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90的两路方波最为常见。系统的输出x0有多种形式，有时为模拟信号或频率更高的脉冲，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。各个环节都依次向末端传递信息，这就是直传的意思。由于直传系统信号单向传递，越在前面的环节，其输入变动量所引起的x0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。一般来说，直传系统的抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。但是由于直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，固有着广泛的使用。 直传式细分电路分多种，下面依次介绍。一、 四细分辨向电路四细分辨向电路为最常见的细分辨向电路，输入信号为具有一定相位差的两路方波信号。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，辨向是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。四细分辨向电路又可分为单稳四细分辨向电路和HCTL-20xx系列四细分辨向电路等。二、 电阻链分相细分电阻链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。其工作原理：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。电阻链细分具有良好的动态特征，在实践中得到了广泛的应用。五倍频细分是电阻链细分的一个典型的实例。三、 微型计算机细分微机细分就是利用微型计算机进行数值计算来进行细分，它用数字计算机代替硬件电路对模拟量进行计算达到细分的目的。微机细分按照其工作原理可分为三种类型： 与硬件细分相结合的细分技术其工作原理为，细分和辨向电路仍采用传统电路，计数器也没有完全取消。微机用于完成除放大、细分和辨向以外的所有功能。值得注意的是，在细分辨向电路与微机之间必须加上缓冲计数器，这是为了提高系统的响应速度。 时钟脉冲细分技术这是一种光栅一个栅距内的信号细分转化为计时的方法。由于微机时钟频率可以很高，原理上其细分数可以达到很大。但是，由于光栅信号相位误差及光栅运动速度误差的存在，实际细分数仍受到限制。时钟脉冲细分测量分辨率高，而且可通过改变时钟频率或分频数很方便地改变分辨率，硬件电路大大简化，避免了硬件电路中各种干扰带来的影响，测量结果稳定可靠。 量化细分技术量化细分技术就是在进行大数计数的同时，对传感器的信号进行量化细分，细分方法有两种：整周期量化细分和半周期量化细分。整周期量化细分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。量化细分的倍频数可根据A/D的位数设定，细分倍数和精度均较高，是目前应用较多的一种微机细分技术，在精密工作台的位置测量系统中得到应用。只读存储器细分是微型计算机细分的发展，旨在解决微型机细分中软件查表速度慢的问题，改软件查表为硬件查表。只读存储器细分速度较快，可满足频率为几十赫到上百千赫信号细分的要求，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。第三章 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、容栅仪器中，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是一种带负反馈的闭环系统。反馈环节通常是数字分频器，它比较容易做的精确、稳定，这是系统能有高精度的重要原因。系统的细分数就等于分频器的分频数，分频数比较容易做的大，因而系统能实现高的细分数。反馈环节就是细分机构。比较器是另一个重要环节，其分辨里（门槛）决定系统的分辨力，但门槛不能太小，太小要引起系统在平衡点附近振摆，显示数值来回跳动。平衡补偿式细分电路的响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，为了保证精度，必须限制测量速度。下面介绍几种主要的方式：一、相位跟踪细分相位跟踪细分属平衡式细分。当被测量发生变化，相位角随之变化。被测量经放大、整形为方波后送入鉴相电路，使其与相对相位基准分频器输出的补偿信号进行比较。当偏差信号超过门槛时，相位脉冲门打开，输出移相脉冲门打开，输出移相脉冲。此脉冲改变相对相位基准的输出信号，使其跟踪调制相位信号，当两信号相等时，系统平衡，关闭移相脉冲门，停发移相脉冲。移相脉冲同时输入显示电路，此时显示电路显示的示值代表被测量。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。相位跟踪细分常用于感应同步器和光栅的细分，由于在一个载波周期仅有一次比相，因此对测量速度有一定限制。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。静态测量时（指移动部件停止运动后才读数），也要限制测量速度，传感器最大位移速度取决于系统的跟踪能力，只要不超过这个最大位移速度，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，就能读得符合精度要求的测量数据。二、幅值跟踪细分幅值跟踪细分主要应用于鉴幅型感应同步器仪器。主要包括感应同步器、放大滤波电路、鉴幅辨向电路、控制电路、显示电路、切换计数器和函数发生器。感应同步器是系统的比较器，其输出为偏差电动势。当被测量的幅值和函数发生器的输出幅值不同时，有偏差电动势产生。偏差电动势经放大、滤波后，如超过门槛，鉴幅辨向电路就发出控制信号，使控制电路发出幅值脉冲，输入切换计数器，按辨向结果进行加法或减法计数，并按所计脉冲数改变（切换）函数电压发生器的输出电压，以改变函数发生器的输出幅值，使其跟踪被测量，知道两值相等、系统平衡为止。调幅脉冲同时输入显示电路进行加、减计数，显示电路给出示值大小。切换计数器与函数发生器一起构成系统的反馈环节，它是细分机构，它的质量对系统精度有重要影响。感应同步器是闭环系统的组成部分（比较器），因而幅值跟踪系统实现了全闭环，而相位跟踪系统只现实半闭环（感应同步器在环外），这使幅值跟踪系统具有更高的精度和更好的抗干扰性能。偏差电压从零开始，一般不超过几十毫伏。偏差电压送入鉴幅器前需经电压放大、全波整流和滤波处理，然后与鉴幅器的门槛电压相比较。鉴幅器一般有两个门槛，称为粗、精门槛，设置两个门槛的目的是在保证细分分辨力的基础上提高测量速度。调幅脉冲输入切换器，此计数器是可逆的，其容量由细分数决定，并分为个位计数器和十位计数器等。调幅脉冲计数在此计数器中变为数字代码，代码经译码器接通相应的电子开关，以使函数电压发生器输出相应的电压接到滑尺绕组上去。测量速度。动态测量时，传感器的移动速度取决于系统在一个载波周期内作几次补偿，以及补偿步距的大小。当移动速度不高时，误差信号低于粗门槛时，函数变压器以每步1.8的速度补偿，传感器具有较高的分辨力。当移动速度较高时，误差信号将超过粗门槛，这时函数变压器则直接以每步18的速度补偿，以保证不丢失整个节距。当然，作为代价，测量的分辨力也相应降低，每一步改变的量值为原来的10倍。总之，本系统比相位跟踪系统允许更高的移动速度。三、 脉冲调宽型幅值跟踪细分这种细分系统也是一种幅值跟踪细分系统，只是用数字式可调脉宽函数发生器代替上一系统中的函数变压器和切换计数器。此系统保留了幅值跟踪系统的优点，即感应同步器是系统的比较器，构成全闭环系统，系统有高精度和高抗干扰能力。数字式脉宽函数发生器体积小、重量轻、易于生产，这是一种很有发展前途的细分系统。这种系统的滑尺励磁电压可有两种波形，非对称波和对称波。对称波所感应的电动势为非对称波所感应的电动势的2倍。而且对称波没有偶次谐波，也没有直流分量成分，这可降低对滤波器的要求。非对称波的波形比较简单，可简化励磁电路，故仍常被有些测控系统采用。脉冲调宽型幅值跟踪细分电路主要包括感应同步器、放大滤波电路、鉴幅辨向电路、控制电路、显示电路和数字函数发生器。与幅值跟踪细分没有原理上的差别，只是用数字函数发生器代替了函数变压器。数字函数发生器由脉冲移相器和脉宽组合电路组成，它是细分机构。系统是通过改变脉冲宽度实现跟踪的。改变脉宽的方法有对称展宽和非对称展宽工作台移动速度取决于系统作一次补偿所需的时间和补偿量的大小。本系统采用数字式函数发生器，它不仅有高的细分数，且有高的跟踪能力。数字电路可以灵活地根据测速改变跟踪速度。军用的高速动态测量系统多采用具有高速数字跟踪能力的脉冲调宽方案，它具有位置、速度甚至加速度跟踪能力。当然，电路相当复杂。四、 频率跟踪细分锁相倍频细分这是一种锁相式数字频率合成技术，用来实现测量信号的n倍频，以实现n细分。此系统也叫锁相倍频器。此系统由4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。n分频器是反馈环节，也是细分环节，它将反馈信号进行n分频，分频后的信号在鉴相器中与输入信号进行相位比较，鉴相器输出一个误差电压，经环路滤波器抑制其中的高频成分和噪声后，输出电压。压控振荡器受输出电压的控制，使其振荡频率向n倍的被测量趋近，当二者相等时，环路达到平衡而锁定，这样反馈幅值和被测幅值之间就实现了n倍频。锁相倍频器对输入信号的角频率的稳定性要求相当高，虽然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，当被测量幅值发生变化后，为使反馈幅值的n分之一能跟踪被测幅值的变化，必须要求压控振荡器的控制电压发生变化，也就是说被测量和反馈量的n分之一之间存在不同的相位差，这就是跟踪误差。锁相倍频器的优点是结构简单，易于实现高的细分数，对信号失真度无严格要求。其缺点也很明显，对输入信号的