细分与辫向电路

1、 第五章第五章 细分与辫向电路细分与辫向电路 20132013年年5 5月月 内容内容 一、细分电路的作用、类型和指标一、细分电路的作用、类型和指标 二、直传式细分电路二、直传式细分电路 三、平衡补偿式细分电路三、平衡补偿式细分电路 一、细分电路的作用、类型和指标一、细分电路的作用、类型和指标 作用：提高仪器的分辨力作用：提高仪器的分辨力 u根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，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。更高的分辨力。 u由于位移传感器一般允许在

2、正、反两个方向移动，在进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。行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。 类型：类型： l直传式细分电路、平衡补偿式细分电路直传式细分电路、平衡补偿式细分电路 l调制信号细分、非调制信号细分调制信号细分、非调制信号细分 指标：指标： l倍数倍数 l精度精度 l速度速度 光电增量编码器原理光电增量编码器原理 转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个 码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多 少

3、缝隙每转过一周就将有多少个相差少缝隙每转过一周就将有多少个相差9090的两相（的两相（A A、B B 两路）脉冲脉冲和一个零位两路）脉冲脉冲和一个零位( (C C相相) )脉冲输出。增量编码脉冲输出。增量编码 器的精度和分辨率主要取决于码盘本身的精度。器的精度和分辨率主要取决于码盘本身的精度。 二、直传式细分电路二、直传式细分电路 1 1、直传式细分电路的原理及特点、直传式细分电路的原理及特点 2 2、位置直接四倍频细分、位置直接四倍频细分 3 3、电阻链分相细分、电阻链分相细分 4 4、计算机细分、计算机细分 5 5、只读存储器细分、只读存储器细分 1、直传式细分电路的原理及特点、直传式细分

4、电路的原理及特点 精度低精度低 结构简单、速度快结构简单、速度快 倍数较低倍数较低 SIN 、COS或或90度方波度方波 脉冲、模拟信号或数字信号脉冲、模拟信号或数字信号 波形变换、比较器、波形变换、比较器、AD、数字电路数字电路 xi x1 xo K1 K2 Km x1 x2 l以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹； l若要读出位移为若要读出位移为0.10.1m m，要求每毫米到线要求每毫米到线1 1万条万条 l直接四倍频细分法。直接四倍频细分法。 2、位置直接四倍频细分、位置直接四倍频细分 细分细分 辨向辨向 位置直接细分特点位置直

5、接细分特点 由于受空间位置的限制，光电传感器的数目不由于受空间位置的限制，光电传感器的数目不 能太多，位置直接细分的细分倍数较小。能太多，位置直接细分的细分倍数较小。 通过位置直接细分可以得到通过位置直接细分可以得到4 4路相差路相差9090O O的方波的方波 信号，可以进一步用于其它细分电路或辨向电信号，可以进一步用于其它细分电路或辨向电 路。路。 单稳四细分辨向原理单稳四细分辨向原理 1 反向反向 正向正向 D触发器辨向触发器辨向 QA740210QA740210是奎克半导体是奎克半导体( (北京北京) )有限公司生产的微分型有限公司生产的微分型 四倍频专用集成电路。四倍频专用集成电路。Q

6、A740210QA740210可将两路正交的方波可将两路正交的方波 信号进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加信号进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加 减计数输入双时钟可逆计数器进行加、减计数。减计数输入双时钟可逆计数器进行加、减计数。 集成四细分辨向电路集成四细分辨向电路- QA740210 - QA740210 集成四细分辨向电路集成四细分辨向电路- HP:HCTL-20XX- HP:HCTL-20XX系列系列 CLK CK 数字 滤波器 施密特 触发器 CH A CH B 计数脉冲 计数方向 计数脉冲 计数方向 Q0-Q11,15 四细分 辨向电路 12/16位 可逆计数器 Q

7、0-Q7 Q0-Q11,15 D0-D11,15 INH 12/16位 锁存器 B0-B7 A0-A7 SEL OE 8 88 D 0 - D7 细分脉冲 计数方向 级联脉冲 U/D CNTCAS HCTL-2020具有的功能 多路切换器 三态缓冲器 SEL OE 禁止逻辑 *HCTL-2000中A4-A7接地 CNTDECR CPLDCPLD和和FPGAFPGA实现细分和辨向功能实现细分和辨向功能 3 3、电阻链分相细分、电阻链分相细分 模拟信号的细分模拟信号的细分 12 sin,cosuEt uEt 21 0 1212 sincosR EtR Et u RRRR 22 12 1 122 ,

8、arctan() om E RRR U RRR sin() oom uUt sinEt sinEt cosEt cosEt cosEt sinEt sinEt cosEt u1 u2uo u2 R1 R2 uo u1 21 1 RR ER 21 2 RR ER 电阻链电阻链5 5倍频细分电路倍频细分电路 异或波形异或波形 电阻链细分特点电阻链细分特点 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。 4 4、计算机细分、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 /#

9、 /# 显示电路 Asin 1 2 3 4 5 6 7 8 u1 u2 1、4、5、8卦限 1 2 sin tan cos Atu t Atu 2、3、6、7卦限 2 1 cos cot sin Atu t Atu 判别卦限判别卦限 查表查表 整周期的计数 计算机细分特点计算机细分特点 优点：利用判别卦限和查表实现细分，优点：利用判别卦限和查表实现细分， 通过修改程序和正切表，很容易实现高通过修改程序和正切表，很容易实现高 的细分数的细分数,但受信号质量影响。但受信号质量影响。 缺点：这种细分方法由于还需要进行软缺点：这种细分方法由于还需要进行软 件查表，细分速度慢，主要用于输入信件查表，细分

10、速度慢，主要用于输入信 号频率不高或静态测量中。号频率不高或静态测量中。 三、平衡补偿式细分电路三、平衡补偿式细分电路 1 1、平衡补偿式细分原理、特点、平衡补偿式细分原理、特点 2 2、感应同步器介绍、感应同步器介绍 3 3、相位跟踪细分电路、相位跟踪细分电路 4 4、频率跟踪细分电路、频率跟踪细分电路-锁相倍频细分电路锁相倍频细分电路 1 1、平衡补偿式细分原理、特点、平衡补偿式细分原理、特点 带负反馈闭环系统带负反馈闭环系统 系统平衡时：系统平衡时：X X0 0=X=XF F/F K/F KF F=1/F=1/F 响应速度低、精度高稳定、细分数大响应速度低、精度高稳定、细分数大 长度、角

11、度、长度、角度、 幅值、相位、幅值、相位、 频率频率 脉冲数脉冲数 xi- xF xF 比较器 F Ks xo -+ N xi 比较器门槛（分辨力）决定系统的分辨力比较器门槛（分辨力）决定系统的分辨力 n 感应同步器基本原理是利用电磁耦合效应，将位移或转角转化成 电信号的位置检测装置。 n 感应同步器按其运动形式和结构的不同，可分为旋转式感应同步 器（圆感应同步器）和直线式感应同步器。圆感应同步器用来检 测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；直线式感应同 步器用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移 数字显示和数控系统等。 2 2、感应同步器介绍、感应同步器介绍 n 感应同步

12、器由定尺和滑尺两部分组成，定尺与滑尺平行安装，且 保持一定间隙（0.250.05mm）。 n 定尺表面制有连续平面绕组，在滑尺上制有两组分段绕组，分别 称为正弦绕组和余弦绕组，这两段绕组和定尺上绕组的节距相等， 且在空间错开1/4的节距（90O相角）。 n 如果在定尺和滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁 耦合效应，在另一种绕组上就会产生相同频率的感应电动势，且 随定尺与滑尺的相对位置不同而变化。通过对感应电动势检测处 理，便可测量出直线位移量. n 感应同步器具有较高的精度与分辨力、抗干扰能力强、寿命长、 维护简单、测量范围大、成本较低等优点。广泛地应用于三坐标 测量机、机床、仪器转

13、台及测量装置等。 感应同步器不同励磁方式 n A鉴相方式鉴相方式 l滑尺双相励磁滑尺双相励磁 定尺单相输出定尺单相输出 m sin s uUt正弦绕组加励磁电压正弦绕组加励磁电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 sm 2 sincos x ekUt W 余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁电压 m cos c uUt 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 cm 2 cossin x ekUt W 定尺绕组总感应电动势为定尺绕组总感应电动势为 smmmj 22 sincoscossinsin() c xx e eekUt kUt kUt WW j 2 /x W 感应电动势的相位角感应电动势的相

14、位角 感应同步器不同励磁方式 n A鉴相方式鉴相方式 l定尺单相励磁定尺单相励磁 滑尺输出滑尺输出 定尺加励磁电压定尺加励磁电压 正弦绕组和余弦绕组感应电动势为正弦绕组和余弦绕组感应电动势为 若移相若移相9090 合成感应电动势合成感应电动势 m cosuUt mj mj sincos sinsin s c ekUt ekUt mj cossin c ekUt mj sin()ekUt 感应同步器不同励磁方式 n B鉴幅方式鉴幅方式 l滑尺双相励磁滑尺双相励磁 定尺单相输出定尺单相输出 正弦绕组加励磁电压正弦绕组加励磁电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁

15、电压 定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 定尺绕组总感应电动势为定尺绕组总感应电动势为 ss sinuUt ss 2 sincos x ekUt W c sin c uUt cc 2 coscos x ekUt W sc 22 cos(sincos) sc xx eeekt UU WW smd cosuU cmd sinuU ， 励磁电压的电相角 mddmxd 22 cos(cossinsincos)cossin() xx e kUtkUt WW 位移角 感应同步器不同励磁方式 n C脉冲调宽鉴幅方式脉冲调宽鉴幅方式 l滑尺滑尺非对称波非对称波励磁励磁 定尺定尺输出输出 正弦绕组加励磁电压正

16、弦绕组加励磁电压 基波分量在基波分量在定尺绕组感应电动势定尺绕组感应电动势 余弦绕组加励磁电压余弦绕组加励磁电压 mm sdd 1 2 sincos n UU unn t n mm cdd 1 2 ()sin ()cos 22 n UU unn t n 基波分量为基波分量为 s1md (2/ )sincosuUt c1md (2/)coscosuUt xd 2 sin()sin m U ekt l滑尺滑尺对称波对称波励磁励磁 定尺定尺输出输出 m xd 4 sin()sin U ekt 电动势增大，减小了偶次谐波分量，容易滤波得到基波分量电动势增大，减小了偶次谐波分量，容易滤波得到基波分量 非

17、对称波和对称波非对称波和对称波 3 3、相位跟踪细分电路、相位跟踪细分电路 u相位直接细分相位直接细分 u相位跟踪细分相位跟踪细分 滑尺双相励磁相位跟踪细分原理框图滑尺双相励磁相位跟踪细分原理框图 =2X/W m sin s uUt m cos c uUt 位移角 数字相角 反馈环节，细分环节反馈环节，细分环节 l正交方波产生电路正交方波产生电路 l鉴相电路鉴相电路 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 Ud UX & & & & & Uc Uj Ud DG1 Uc Uj DG2 D

18、G3 DG4 DG5 FX FX a) Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx b)c) 正向波形图反向波形图 l有门槛鉴相电路有门槛鉴相电路 正向波形图反向波形图 l脉冲移相电路脉冲移相电路 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 n 当当 相位差小于鉴相门槛时相位差小于鉴相门槛时 , , 的频率等于感应同步器励磁信号和输出信的频率等于感应同步器励磁信号和输出信 号的频率号的频率。 n 当当 相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号M M有正脉冲输出，当

19、感应同步器滑尺有正脉冲输出，当感应同步器滑尺 相对于定尺正向运动时，相对于定尺正向运动时， 超前超前 ，方向信号，方向信号F F为高电平。为高电平。 的相位的相位 前移，前移， 跟踪跟踪 。 n 当相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号当相位差大于鉴相门槛时，脉宽信号M M有正脉冲输出，当感应同步器滑尺相对有正脉冲输出，当感应同步器滑尺相对 于定尺反向运动时，于定尺反向运动时， 滞后滞后 ，方向信号，方向信号F F为低电平。为低电平。 的相位的相位 滞后滞后，跟，跟 踪踪 。 j d d u j d j d d u d j j d d u d j l跟踪速度跟踪速度-静态测量速度静态测量速度 Wj=2 (f+v/w)Wd=2 f 若f=2K W=2mm v34m/min n当感应同步器滑尺相对于定尺反向运动时，补偿速度快当感应同步器滑尺相对于定尺反向运动时，补偿速度快 n当感应同步器滑尺相对于定尺正向运动时当感应同步器滑尺相对于定尺正向运动时 ，补偿速度慢，每次只能跟，补偿速度慢，每次只能跟 踪一半的相位差踪一半的相位差 ，当移动速度太快时可能使累计相位差超过鉴相器的鉴，当移动速度太快时可能使累计相位差超过鉴相器的鉴 相范围（相范围（/2/2），丢失整个节距