信号细分与分辨电路资料.ppt

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 提高仪器的分辨力 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 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 第7章信号细分与辨向电路 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 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 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 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 第7章信号细分与辨向电路 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 Ks K1K2K3 Km 7 1直传式细分电路 第7章信号细分与辨向电路 由若干环节串联而成 各环节依次传递 总灵敏度为 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 越靠近输入端环节的输入量增量 xj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 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 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直传式细分电路 7 1 1 1单稳四细分辨向电路 正向运动 A超前B 7 1 1 2HCTL 20XX系列四细分辨向电路 输入信号 相位差90 的两路正余弦 正交 模拟信号 7 1 2电阻链分相细分电路 7 1直传式细分电路 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 设u1 Esin t u2 Ecos t 则 7 1 2电阻链分相细分电路 7 1 2 1原理 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 u1 u2 uo 超前 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 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 图7 7五倍频 五细分 细分电路的工作波形 Esin t 7 1 2 3五细分专用集成电路 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 相与 获得标准零脉冲信号 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 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 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 3微型计算机细分 7 1 3 2时钟脉冲细分技术 位移量 最大细分数 综合误差 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 7 1 3微型计算机细分 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 7 1 3 3量化细分技术 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 7 1 3微型计算机细分 7 1 4只读存储器细分 7 1 4只读存储器细分 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 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 分辨力高 精度高 但速度低 带负反馈的闭环系统 前馈回路 细分机构 分频数 细分数 7 2平衡补偿式细分 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 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 和 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 相位调制信号 作为相位跟踪细分的输入信号 当被测量x发生变化时 相移角 j随之变化 uj经放大整形为方波后送入鉴相电路 使 j与相对相位基准分频器输出的补偿信号 d进行比较 当偏差信号 j d超过门槛时 移相脉冲门打开 输出移相脉冲 此脉冲改变 d 使 d跟踪 j 当 d j时系统平衡 关闭移相脉冲门 停发移相脉冲 此时显示电路的示值 移相脉冲数 代表被测位移 7 2 1 1相位跟踪细分原理 鉴相电路要做三方面的工作 1 确定偏差信号 j d是否超过门槛 2 确定输出Ux与偏差信号 j d相对应的方波脉宽信号 3 确定 j与 d的导前 滞后关系 以确定滑尺移动方向 7 2 1相位跟踪细分 7 2 1 2鉴相电路 Fx 1时表示正向运动 Uj超前Ud j导前 d Fx 0时表示反向运动 Uj滞后Ud j滞后 d DG3输出Ux的宽度代表Uj与Ud的相位差 即Ux脉宽 j d 此鉴相电路没有门槛 会有在平衡点 j d 附近振摆跟踪的问题 7 2 1 2鉴相电路 两个RC延时电路起门槛作用 调节RC可改变门槛的大小 消除平衡点 j d 附近振摆跟踪的问题 7 2 1 2鉴相电路 7 2 1 3相对相位基准和移相脉冲门 7 2 1相位跟踪细分 作用 1 产生相位跟踪信号 d 2 细分 细分数 分频数 7 2 1 3相对相位基准和移相脉冲门 减掉或增加的移相脉冲 Ux的脉宽 j d x 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 7 2 1相位跟踪细分 7 2 1 4测量速度 m min 7 2 2幅值跟踪细分 7 2 2 1原理 鉴别幅值 实现细分辨向 用于鉴幅型感应同步器 函数发生器提供两路同频率 同相位 不同幅值的调幅电压 us Umsin d cos t和uc Umcos d cos t 接在感应同步器的滑尺上 则在定尺上产生的感应电势为 7 2 2幅值跟踪细分原理 当 j d时 e 0 系统平衡 感应同步器为比较器 当 j d时 e 0 放大滤波后若门槛 鉴幅辨向电路就发出控制脉冲 使控制电路发出调幅脉冲 切换计数器根据辨向结果进行加法或减法计数 函数发生器再根据计数脉冲改变 d 使 d跟踪 j 直到 j d为止系统又平衡 此时显示电路的示值 脉冲数 代表被测位移 即 显示脉冲 sin j d x 7 2 2幅值跟踪细分 7 2 2 2鉴幅器 作用 判断 j d的大小 sin j d x 鉴幅器一般有粗 精两个门槛 测量开始时 测量速度高 产生的 j d较大 感应电势e也较大 系统以大的步距 d跟踪 使 d迅速赶上 j 提高速度 接近平衡状态时 感应电势e较小 当精门槛 e 粗门槛时 系统以小的步距 d跟踪 直到 d j系统平衡为止 提高精度 7 2 2幅值跟踪细分 7 2 2 3函数电压发生器 作用 1 细分 2 为感应同步器滑尺提供激励电压 若采用变形激励 则360 2 180 得 A B 0 9整数 函数发生器一般采用多抽头变压器 抽头不同输出电压的幅值就不同 如200细分 则360 200 1 8 即 j每变1 8 计数器计一个调幅脉冲 d也随之变化1 8 变压器要有200个抽头 结构复杂 7 2 2 3函数电压发生器 T1 正弦 余弦变压器 产生和 T2T3 正切变压器 产生 7 2 2 3函数电压发生器 三个变压器通过四组开关选择 输出相对交流零点电压 由切换计数器控制开关位置 得到不同的 d值 从而实现改变输出电压的幅值 作为感应同步器的激励电压 例 d 3 6 A 0 T1的两个 0 号开关闭合 B 2 T2T3的 2 号开关闭合 即 7 2 2幅值跟踪细分 7 2 2 4辨向电路 作用 通过判断前后节距实现辨向 感应同步器的滑尺采用变形激励电压 其前后节距的波形相同 图7 23 定尺上产生的感应电势为 滑尺正向运动时 前节距sin j d 0 后节距sin j d 0 Fx 1 滑尺反向运动时 前节距sin j d 0e 0 Fx 0 7 2 2 4辨向电路 要实现辨向 就要判断前后节距 前后节距的判断 利用切换计数器的正 反向溢出脉冲进行 设感应同步器细分数为200 切换计数器利用100进制 则每当计数器由99 0时 发出正向溢出脉冲M 而当计数器由0 99时 发出反向溢出脉冲M M 和M 送入辨向电路实现辨向 Wx 感应电势e经倒相整形后的信号 Cy 采样脉冲 利用为最大时发出 7 2 2 4辨向电路 Fx 1 正向运动 Fx 0 反向运动 7 2 2 4辨向电路 7 2 2幅值跟踪细分 7 2 2 5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 T 1 f 内的补偿次数n和补偿步距 d的大小 m min 7 2 3脉冲调宽型幅值跟踪细分 7 2 3 1调宽脉冲波的波形分析 滑尺激磁电压us和uc基波分量为 调节 d可改变脉冲宽度 感应电势e的幅值发生变化 7 2 3脉冲调宽型幅值跟踪细分 7 2 3 1调宽脉冲波的波形分析 调节 d感应电势e的幅值发生变化 d跟踪 j实现调幅 滑尺激磁电压us和uc基波分量为 7 2 3脉冲调宽型幅值跟踪细分 当 j d时 e 0 系统平衡 当 j d时 e 0 放大滤波后若门槛 鉴幅辨向电路就发出控制脉冲和方向信号 使控制电路发出移相脉冲Md和计数脉冲Ms 频率受e的大小控制 移相脉冲Md改变数字函数发生器的输出 d 实现 d跟踪 j 直到 j d为止 同时显示电路根据计数脉冲显示被测位移x的大小 Ms sin j d x 7 2 4频率跟踪细分 锁相倍频细分 作用 对光栅等传感器输出信号进行n倍频 实现n细分 鉴相器 将分频后信号fo n与输入信号fi进行相位比较 输出一个误差信号 环路滤波器 抑制误差电压中的高频成分和噪声 输出Uc 压控振荡器 振荡频率fo受Uc控制 使fo趋近于nfi 当fo nfi时 环路平衡而锁定 实现fo nfi的n倍频 n分频器 反馈环节 实现细分 将fo进行n分频 7 2 4频率跟踪细分 锁相倍频细分 集成CC4046 由两个相位比较器和一个压控振荡器组成 相位比较器 分别为异或门相位比较器和RS相位比较器 RS相位比较器 RS触发器形式 输出脉宽与两个比相信号下跳沿的时间差相对应 作为倍频细分的相位比较器 环路滤波器 由R2R3C2组成 输出电压Uc由RS相位比较器的工作方式所决定 控制压控振荡器的频率 使fo nfi 跟踪误差 锁相倍频器对输入信号的频率稳定性要求相当高 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fi发生变化后 为使fo n能跟踪fi的变化 必须要求压控振荡器的控制电压Uc发生变化 也就是说fi与fo n之间存在不同的相位差 这就是跟踪误差 7 2 4频率跟踪细分 锁相倍频细分 优点 结构较简单 易于实现高的细分数 对信号失真度无严格要求 缺点 对输入信号的角频率的稳定性要求高 而且输入信号只有一个 不能辨向 主要用于回转部件的角度与传动比等的测量 这时比较容易保持fi接近恒定 图7 36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