测控电路张国雄第7章

1、测量与控制电路2021-12-12 测控电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件： 测量与控制电路22021-12-127. 信号细分与辨向电路 为什么要细分？ 提高分辨力 信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：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。 高分辨力是高精度的必要条件。7. 信号细分与辨向电路123546/20.3164m激光干涉仪7. 信号细分与辨向电路亮亮亮亮暗暗W20mW 光栅测量装置指示光栅

2、主光栅受工艺和造价等限制7. 信号细分与辨向电路感应同步器WW=2mm滑尺定尺受工艺和允许电流限制需要读出一个周期内的移动量:细分n什么是辨向？辨向：辨别机构的移动方向由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ABCDEn为了辨向常需要两路信号7. 信号细分与辨向电路AB前进前进B在在A 前面前面后退后退A在在B 前面前面ttuu7. 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 测量与控制电路92021-12-127.1 直传式细分电路7. 信号细分与辨向电路直传

3、式细分直接利用位移信号进行细分，称其为直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因为它可以由若干细分环节串联而成 系统总的灵敏度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，它势必引起系统总的灵敏度的变化。 xi x1 xo K1 K2 KmDx1 x2 7. 信号细分与辨向电路 7.1 直传式细分电路(一）四细分辨向电路细分：利用两路相位差90 的信号的4个跳变沿，利用单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。R&CDG21 1DG1AA ABA 单稳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

4、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。ABA ABA 前进前进后退后退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ABAB前进前进后退后退 测量与控制电路132021-12-127.1 直传式细分电路(一）四细分辨向电路7. 信号细分与辨向电路 DG7 & & & & & & & &am

5、p; UO1 DG5 UO2 DG10 R1 & & 1& & 1 1A 1DG1 C1 DG3 R2 DG2 C2 DG4 DG8 R3 C3 C4 DG9 R4 DG6 A A B B B BB A A AA B B BAA AAB BB 11 测量与控制电路142021-12-127.1 直传式细分电路(一) 四细分辨向电路 A B A BA B Uo1 Uo2 A B A BA B Uo1 Uo2 7. 信号细分与辨向电路 测量与控制电路152021-12-127.1 直传式细分电路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

6、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。7. 信号细分与辨向电路u1a) 原理图 b)相量图（二）电阻链细分 uo u2 R1R2uo112ERRR212ERRR)/(arctan21RR)sin(omotuu1sinuEt2cosuEt 测量与控制电路162021-12-127.1 直传式细分电路n电阻链五倍频细分电路7. 信号细分与辨向电路（二）电阻链细分 36o 108o 18o 0o 162o90o 54o 72o 144o 126o56k 33k18k 24k 18k 24k 56k 3

7、3k 24k 33k 56k 18k 33k 24k 18k 56k 12k 12k 1 235 6 413 12 11 9 8 106 5 4 1 13 12 11 8 910 Esint Ecost -Esint -+ N -+ N -+ + N-+ N-+ N -+ N -+ N-+ N -+ N-+ N = = 1= = 1 = = 1 = = 1= = 1 2 3 = =1 = = 1 = = 1 UR36oooo1854720o 90108144126162oooooo180 还需要解决辨向问题，采取形成以72 为周期的两路方波信号的办法o 测量与控制电路172021-12-127

8、. 信号细分与辨向电路7.1 直传式细分电路（二）电阻链细分n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，送入四细分辨向电路，实现20细分辨向1+21+21+2 1231311131211356481098104 Esint 36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312 +131 +28+98 +95 +6 1111312+1312 +131 +2 1231311131211356481098104 Esint 36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312 +131 +28+98

9、+95 +6 1231311131211356481098104 Esint 36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312 +131 +28+98 +95 +6 1231311131211356481098104 Esint 36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312 +131 +28+98 +95 +6 测量与控制电路202021-12-127. 信号细分与辨向电路7.1 直传式细分电路（三）计算机量化细分a） 电路原理图 辨向电路辨向电路可逆计数器可逆计数器数字计算机数字计算机A Acosco

10、s 过零过零比较器比较器/#/# 显示电路显示电路A Asinsin 一周期内绝对码信号整周期计数整周期计数周期内细分周期内细分7. 信号细分与辨向电路7.1 直传式细分电路（三）计算机量化细分21cossintanuuAA21coscotsinAuAu1、4、5、8卦限 2、3、6、7卦限 u1u21 1 2 2 3 4 3 4 5 5 6 7 86 7 8卦限卦限u1的极性的极性u2的极性的极性|u1|、|u2|大小大小1+|u1|u2|3+ |u1|u2|4+ |u1|u2|5 |u1|u2|7 +|u1|u2|8 +|u1|u2|7. 信号细分与辨向电路7.1 直传式细分电路（三）计算

11、机量化细分1 2 3 4 5 6 7 8u1u2 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+k100k200细分 为减少计算机运算时间，为减少计算机运算时间，采用软件查表，细分速度采用软件查表，细分速度比硬件慢，主要用于静态比硬件慢，主要用于静态测量中。测量中。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-k7.2 平衡补偿式细分7. 信号细分与辨向电路基本原理ixox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sK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

12、入量,可为长(角)度,也可为幅值,相位,频率等oFi1xKxF为细分数 xi-xF xF 比较器比较器 F F Ksxo- - + +N xi感应同步器感应同步器WW=2mm余弦绕组定尺正弦绕组smsinuUtcmcosuUt 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分smmmj22sincoscossinsin()cxxeeekUtkUtkUtWW umsin( t+ j) d j- d移相脉冲移相脉冲鉴相电路鉴相电路放大放大整形整形移位脉冲门移位脉冲门显示电路显示电路 相对相位基准相对相位基准 分频器分频器7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1

13、 相位跟踪细分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。移向脉冲数代表被测量关闭移向脉冲门小于门槛值时当减小变化移向脉冲门打开增加且大于相位门槛值时变化变化djdjddjjx7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx(二）鉴相电路 UdUx&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FxFxUc 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F

14、x或Fx 问题：没有迟滞，会来回振荡问题：没有迟滞，会来回振荡7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分 UdUx&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FxFxUj Ud RRCCUjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFx(二）鉴相电路 引入迟滞，只有引入迟滞，只有 j- d信号信号 延续一定时段才有输出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 umsin( t+ j) d j- d移相脉冲移相脉冲鉴相电路鉴相电路放大放大整形

15、整形移位脉冲门移位脉冲门显示电路显示电路 相对相位基准相对相位基准 分频器分频器7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分(二）相对相位基准和移相脉冲门 a) 时钟脉冲时钟脉冲b) 正常分频正常分频c) 减脉冲减脉冲d) 使使 d延后延后e) 加脉冲加脉冲f) 使使 d前移前移减脉冲减脉冲加脉冲加脉冲7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分(二）相对相位基准和移相脉冲门 Ux=0: DF正常二分频正常二分频Ux=1: DF不工作，输出不工作，输出1Fx=0: DG2关

16、闭，减脉冲关闭，减脉冲Fx=1: DG2开启，脉冲数加倍开启，脉冲数加倍 Uxn/2分频器分频器相对相位基准相对相位基准移相脉冲门移相脉冲门 Ms去数显电路去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx Uc 二分频器二分频器n/4分频器分频器去鉴相器去鉴相器 UdUx&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FxFxUj Ud RRCC7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分(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

17、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nWfvnWfv 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分(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。 7.

18、 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分UjUxD D D D /2UjUx没跟踪没跟踪UdD D 无脉冲进入，等待无脉冲进入，等待跟踪后跟踪后Ud与与Uj同时翻转同时翻转跟踪后跟踪后Ud加倍进脉冲加倍进脉冲停止进脉冲，仍落后停止进脉冲，仍落后D D /2Uj滞后滞后Uj超前超前没跟踪没跟踪Ud Uxn/2分频器分频器相对相位基准相对相位基准移相脉冲门移相脉冲门 Ms去数显电路去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx Uc 二分频器二分频器n/4分频器分频器去鉴相器去鉴相器7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1

19、 相位跟踪细分( (三）测量速度三）测量速度 正向运动时正向运动时Ud滞后于滞后于Uj，在，在Ux=1期间以加倍的速度进脉冲，期间以加倍的速度进脉冲，只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使只用一半的时间就提前翻转，一个周期内只能使D D j- d减减小至小至D D / /2。第二周期又产生。第二周期又产生D D ，相位差扩大为相位差扩大为( (D D / /2)+)+D D ，经跟踪留下经跟踪留下( (D D / /2+D D )/2；第三周期又产生；第三周期又产生D D ，经跟踪留下经跟踪留下D D + +( (D D / /2+D D )/2；最终相位差扩大为；最终相位差扩大为 7.

20、信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分111222kDD D D UjUdUcDG1DG2UxFx7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.1 相位跟踪细分本鉴相器根据相位差输出落在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，鉴相范围为的高电平还是低电平辨向，鉴相范围为 /2D D 超过鉴相器的鉴相范围超过鉴相器的鉴相范围 /2就要将就要将Uj超前误判为滞后，从而丢失整个节距，超前误判为滞后，从而丢失整个节距，即失步。为此要求即失步。为此要求222/(/)4vvvT Wfv W WfWvD/7vfW7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7

21、.2.2 幅值跟踪细分vmdmdvmdvmjd222(sincoscossin)cossin()cossin()cosxxxek UUtk utWWWk utsmdsinsinuUtcmdcossinuUtWW=2mm余弦绕组定尺正弦绕组7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分鉴幅辨鉴幅辨控制电路控制电路显示电路显示电路切换切换计数器计数器函数函数发生器发生器jde e调幅脉冲调幅脉冲向电路向电路放大滤放大滤波电路波电路感应感应同步器同步器vmjdsin()cosek ut e超出门槛电平就改变超出门槛电平就改变d，使减小，使减小， d跟踪跟踪j的变化的变化感应同

22、步器供电电压的变化靠函数变压器实现感应同步器供电电压的变化靠函数变压器实现7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分n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。vmjdsin()cosek ut 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分00180180360360d/()d/()usucucusc)变形正弦a)正弦信号00180180360360d/()d/()b)余弦信号d)变形余弦vmjdsin()cosek ut前半周期前半周期后半周期后半周期n

23、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dABdcoscos()cos(cossintan)ABBAAB7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分dsinsin()cos(sincostan)ABBAAB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dsinsincostanAABdcoscossintanAAB21sin(18 )iNNi21cos(18 )iNNi7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分正余弦变压器正余弦变压器21tan(1

24、.8 )iNNi正切变压器正切变压器7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分mmmdsincostansinsinsinsinSOSDDOuuuUtABUtAUtmmmdsinsintansincoscossinCOCEEOuuuUtABUtAUt 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分DG1DG2WxM+ FxCySRDC= 1= 1&SRDCDF1DF2Q2 Q1 D2 M-vmjddvmjddsin()cos(0)sin()cos(2)k utek ut前后节距利用切换计数器的正反溢出脉冲辨别D2=Q1Wx cos t

25、为最大时发出的采样脉冲为最大时发出的采样脉冲前节距，前节距，后节距，后节距，12x1,QDW12x0,QDWe经倒相整形后的信号经倒相整形后的信号 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.2 幅值跟踪细分b) 反向运动波形eOteOtOtD2OtCyOtWxOWxtQ1OtOQ1tD2OtOFxtOtCyFxOta) 正向运动波形n调宽脉冲波的波形分析 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分a) 非对称波b) 对称波UmususUmucUm-2 -2-t 0ucUm02-2 t0-d -2 - 2 td0-d -2 - 2 tdd2d2)

26、2(d)2(d7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分n调宽脉冲波的波形分析 mmsdd12sincosnUUunn tn(1)非对称波mmcdd12()sin ()cos22nUUunn tn基波分量 tUucossin)/2(dm1stUucoscos)/2(dm1cus1、uc1在定尺上感应的电动势 tUkemsin)sin(2djv7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分n调宽脉冲波的波形分析 对称波 mmmmsdddd1122sincos sincos ()nnUUUUunn tnntnnn为偶数时， u

27、s=01dmscossin4ntnnnUu1dmccos)2(sin4ntnnnUun为奇数时, 7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分移相脉冲移相脉冲Md计数脉冲计数脉冲Ms鉴幅辨鉴幅辨控制电路控制电路放大滤放大滤 感应感应同步器同步器显示电路显示电路数字函数数字函数发生器发生器ej jd波电路波电路向电路向电路tUkesin)sin(4djmvtUucossin)/4(dm1sus1、uc1在定尺上感应的电动势 基波分量 tUucoscos)/4(dm1c7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分2 d2 dD D da）对称展宽）对称展宽b）非对称展宽）非对称展宽D D dD D dD D dD D dD D d多进脉冲多进脉冲提前翻转提前翻转少进脉冲少进脉冲延后翻转延后翻转少进脉冲少进脉冲延后翻转延后翻转多进脉冲多进脉冲提前翻转提前翻转多进脉冲多进脉冲提前翻转提前翻转少进脉冲少进脉冲延后翻转延后翻转7. 信号细分与辨向电路7.2 平衡补偿式细分7.2.3 脉冲调宽型幅值跟踪细分a) 电路图电路图DF3DG2Fx1JR1KC11JR1KC11JR1KC11JR1KC1=1=1=1=1n/8分频器分频器二分频器二分频器二分频器二分频器n/8分频器分频器MdMdf0FxQ1Q2Q3Q4UA