z信号细分和辩向电路.ppt

Q:电压频率转换电路有几种结构类型？集成V/f转换器大多采用哪种结构作为基本电路结构？试阐述其工作原理。A:有积分复原式和电荷平衡式V/f转换电路。电荷平衡式V/f转换电路主要是基于电路中电容充、放电的电荷量相等，得到充放电时间与输入电压关系。Q:解释书中P168页“在信号转换时，为保证一定转换精度和较大适用范围，要求I/V转换器有低的输入阻抗及输出阻抗,V/I转换器有高的输入阻抗及输出阻抗。”,上节课内容回顾,2020/5/11,7.信号细分与辨向电路,Q：为什么要细分？随着科学技术的发展，要求读数值越来越小，如果靠进一步减小测量标尺刻度来减小读数值，要受到工艺等因素限制。要使位移信号每变化一个周期不是计一个数，而是计若干数，就要采用细分技术。举例：一个周期计4个数叫4细分。在4细分情况下，栅距是4m的光栅，可达到1m的分辨率。概念：信号细分电路又称插补器，是采用电路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。,本章电路针对信号：测控系统中应用广泛的线位移信号和转动信号。例如来自光栅、感应同步器、磁栅、容栅、激光干涉仪等信号的细分。此类信号共同点：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。细分的基本原理：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。,7.信号细分与辨向电路,7.信号细分与辨向电路,光栅测量装置,指示光栅,主光栅,光栅广泛应用于：长度计量及机床数控等领域，莫尔条纹每移动一整个周期辨一次向，计一个数，缺点：受工艺和造价等限制,感应同步器,直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，长尺为定尺，短尺为滑尺。感应同步器的定尺被安装在固定部件上（如机床的台座），而滑尺则与运动部件或被定位装置（如机床刀架）一起沿定尺移动。,感应同步器,感应同步器,定尺,7.信号细分与辨向电路,激光干涉仪,什么是辨向？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,辨向：辨别机构的移动方向.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。,为了辨向常需要两路信号,7.信号细分与辨向电路,7.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,细分电路分类按工作原理：直传式细分四细分辨向电路电阻链分相细分微型计算机细分平衡补偿式细分相位跟踪细分幅值跟踪细分脉冲调宽型幅值跟踪细分频率跟踪细分,7.信号细分与辨向电路,K1、K2、Km为各环节灵敏度,中间环节可能是波形变换电路、比较器或D/A等,总灵敏度：Ks=K1K2Km,抗干扰能力差，精度低，速度快，简单。,越靠近输入端，越要做的精细,7.信号细分与辨向电路,7.1直传式细分电路,直传式细分直接利用位移信号进行细分，由若干细分环节串联而成。,7.信号细分与辨向电路,(一）四细分辨向电路输入信号：具有一定相位差（通常为90）的两路方波信号。细分：两路方波信号在一个周期内的两个上升沿和两个下降沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。,单稳态触发器,7.1直传式细分电路,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。,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,2020/5/11,(一）四细分辨向电路,7.信号细分与辨向电路7.1直传式细分电路,ABABUo1Uo2,当A发生正跳变时：由非门DG1、电阻R1、电容C1和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A，此时B非为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出当B发生正跳变时：当A发生负跳变时：当B发生负跳变时：,2020/5/11,7.信号细分与辨向电路(一)四细分辨向电路,正向运动A导前B,反向运动B导前A,正向运动时，DG5在一个信号周期内依次输出A、B、A非、B非四个计数脉冲，实现了四细分。当A导前B90时,Uo1有输出,Uo2无输出,当B导前A90时,Uo1无输出,Uo2有输出,实现辨向。,电阻链由电阻R1和R2串联而成,7.信号细分与辨向电路,7.1直传式细分电路,（二）电阻链细分,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。,a)原理图b)相量图,这是090第一象限的情况,每一个臂上都是电位器，可以用来调整相位。不同相的输出电压信号经电压比较器整形成方波，然后经逻辑电路处理实现细分。,电阻并联桥，在四个象限内依次有一个相位差的若干输出电压。,改变R1、R2比值，就能改变、Uom，uo是沿u1、u2直线运动，=45时，uom有最小值。,12细分移相桥,2020/5/11,电阻链五倍频细分电路,7.信号细分与辨向电路,7.1.2.2,电路结构电阻移相网络：在第一、二象限给出10路移向信号比较器：施密特触发器，将10路移相信号与参考信号UR比较，正弦波转换为方波信号逻辑电路：异或门逻辑组合电路,从比较器得到的10路方波信号再经过异或门逻辑组合电路，在3和4端获得两路相位差为90的五倍频方波信号。注意：该5倍频信号正好满足四细分电路对输入信号的要求，送入四细分辨向电路，可实现20细分辨向。,电阻链分相细分优缺点比较,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。,参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。,电阻链二倍频细分电路如图所示，其输出A、B为相位差45的二路信号，它们的频率是输入信号频率的二倍,2020/5/11,7.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，,2020/5/11,7.信号细分与辨向电路,7.1.3微型计算机细分,（三）量化细分技术,电路原理图,微机细分：利用微型计算机进行数值计算来进行细分，用数字计算机代替硬件电路对模拟量进行计算达到细分目的。,工作原理：两路正交信号，一方面经比较器变换成方波、送入辨向计数电路，实现对信号周期的计数；另一方面，分别经各自的模数转换器将模拟量变成数字量，再由接口电路进入微机进行细分。,7.信号细分与辨向电路,量化细分技术-整周期量化细分,7.1.3微型计算机细分,图中把一个信号分为八个区间，或称卦限，每卦45。在表中列出八个卦限中两信号的极性和绝对值大小。,微机按上表情况，判别信号所在卦限，实现8细分，在一个卦限内，按信号绝对值比值大小还可以实现再细分。,再细分,在1、4、5、8卦限用|tg|，在2、3、6、7卦限用|ctg|。上述卦限中的|tg|值或|ctg|值在0到l之间变化，因而可用0-45间的|tg|值或|ctg|值来表示。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0-45间N个正切值。,两信号|u1|、|u2|比值：,量化细分技术优缺点比较优点：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；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。,7.2平衡补偿式细分,7.信号细分与辨向电路,基本原理,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,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,为细分数,感应同步器,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,UjUdUcDG1DG2UxFx,UjUdUcDG1DG2UxFx,(二）鉴相电路,Uj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,(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,(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,加脉冲,(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1,Fx=0:DG2关闭，减脉冲,Fx=1:DG2开启，脉冲数加倍,(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,(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。,(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j-d减小至/2。第二周期又产生，相位差扩大为(/2)+，经跟踪留下(/2+)/2；第三周期又产生，经跟踪留下+(/2+)/2；最终相位差扩大为,本鉴相器根据相位差输出落在Uc的高电平还是低电平辨向，鉴相范围为/2,超过鉴相器的鉴相范围/2就要将Uj超前误判为滞后，从而丢失整个节距，即失步。为此要求,e超出门槛电平就改变d，使减小，d跟踪j的变化感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现,为了实现n细分，变压器需要n个抽头。为减少抽头简化供电方式。采用变形正余弦激磁电压后后半周期，输出信号e变号，需要在辨向中注意。,前半周期,后半周期,为进一步减少抽头，把180先按=18等分为10份，再把18按=1.8等分为10份，令dAB,因为B=(09)1.8=016.2，cosB=10.963。正余弦励磁电压同时增大不影响平衡位置,正余弦变压器,正切变压器,前后节距利用切换计数器的正反溢出脉冲辨别,D2=Q1Wx,cost为最大时发出的采样脉冲,前节距，后节距，,e经倒相整形后的信号,调宽脉冲波的波形分析,调宽脉冲波的波形分析,(1)非对称波,基波分量,us1、uc1在定尺上感应的电动势,调宽脉冲波的波形分析,对称波,n为偶数时，us=0,n为奇数时,us1、uc1在定尺上感应的电动势,基波分量,e未超门槛，Md=0,DF2、DF4四分频UA=UB=Q4,e超出门槛,Md=1DF2、DF4停翻,如Fx=1,来一个Md，Q1改变一次状态,UA提前发生变化，Q3不变，UB滞后,如