信号细分与辨向课件

第7章信号细分与辨向电路概述直传式细分电路平衡补偿式细分电路概述信号的共同特点：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。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。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。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。

数字式检测和计量仪器随着激光、光栅、磁栅感应同步器等技术的迅猛发展，数字式测量仪器也越来越多，特别是各种仪器电路与微机计算及处理技术紧密结合与应用，又促进了检测及计量仪器数字化。数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，能较好地解决量程与分辨率的矛盾。易于集成化，抗干扰能力强，便于动态采样和记忆保存，便于与计算机联用。所以数字式检测及计量仪器得到广泛应用。细分电路是精密计量仪器的重要组成部分，它的功用是提高仪器的分辨率，同时使测量信号数字化。

数字式检测和计量仪器的信息获取，主要采用感应同步器、计量光栅、磁栅、激光等做测量标尺，提取直线或角度位置的检测和计量信息。同时为了提高检测装置的分辨率和确定移动方向。常采用细分和变向电路，且使测量信号数字化及显示。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。一个周期计4个数叫4细分。在4细分情况下，栅距是4μm的光栅，可达到1μm的分辨率。在设计仪器时，要根据实际情况扬长避短，合理分配光、机、电、细分数的比例，提高仪器总的技术经济指标。用电路来完成细分任务叫电子细分，是本节要讲述的内容。xi

x1

xo

K1

K2

Kmx1

x2图7-1由于个别环节灵敏度xj的变化，它势必引起系统总灵敏度的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量△xj时，都会引起输出量x０的变化，这时有

式中为由于△xj引起输出x０变化的灵敏度。显然，由于Ks的变化和△xj的存在会使达到相同的x０所需的x

j值发出变化，也即使细分点的位置发生变化。由于直传系统信号单向传递，越在前面的环节，其输入变动员所引起的x０变动量越大，因而要保持系统的精度必须稳定各环节的灵敏度，减少各环节特别是靠近系统输入端的环节的输入误差。基于上述要求，直传系统的抗干扰能力较差，其精度一般低于平衡补偿系统。在同等精度要求下，直传系统对电路元器件的质量、结构和装调技术有更高的要求。但是，由于直传系统没有反馈比较过程，一般说来电路结构简单，响应速度较快。缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精度低于平衡补偿系统。优点：直传系统没有反馈比较过程，电路结构简单、响应速度快，有着广泛的应用。典型的细分电路:

☆四细分辨向电路☆电阻链分相细分☆微型计算机细分☆只读存储器细分一、单稳四细分辨向电路原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。电路如下图7-2所示。

正向运动和反向运动的波形如下图7-3所示。图7-2单稳四细分辨向电路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA≥1BBBAAAABBB≥1ABA'B'Uo1Uo2ABA'B'Uo1Uo2a)b)图7－37.1.2电阻链分相细分主要实现对正余弦模拟信号的细分。工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，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。

u1

u2uo

u2

R1R2uou1设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost

图7-5电阻链分相细分a)原理图b)矢量图1.原理36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ12kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR2.电阻链五倍频细分电路图7-6

电阻链五倍频细分电路电阻链分相细分优点: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。12345678u1u2辨向电路可逆计数器数字计算机Acos过零比较器∩/#∩/#

显示电路Asin图7-8微型计算机整机细分a）电路原理图b）卦限图a)b)7.1.3微型计算机细分细分量化原理框图如下。原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入。卦限u1的极性u2的极性|u1|、|u2|大小1++|u1|〈|u2|2++|u1|〉|u2|3+|u1|〉|u2|4+|u1|〈|u2|5|u1|〈|u2|6|u1|〉|u2|7+|u1|〉|u2|8+|u1|〈|u2|只读存储器减计数锁存器周期计数器逻辑控制器AsinAcosXY细分锁存器加减信号发生器加∩/#∩/#D0D6D7D8D9......图7-9只读存储器细分原理图只读存储器细分只读存储器细分原理框图如下：0128255XY255128

图7-10模/数转换结果与对应角度的关系模/数转换结果与对应角度的关系如下：

可见,KF由F决定,与K0无关，或关系极小。仅要求K0F足够大，可放宽对K0的线性稳定性要求，这是系统抗干扰能力强的原因之一；F要粮确、稳定。反馈环节通常是数字分频器，它比较容易做得精确、稳定，这是系统本身能有高精度的重要原因;KF是F的倒数，系统的细分数就等于分频器的分频数，分频数比较容易做得大,因而系统能实现高的细分数。反馈环节就是细分机构。7.2.1相位跟踪细分1．

原理

uj=umsin(t+j)

um、

——载波信号的振幅和角频率；

j——调制相移角，j通常与被测位移x成正比，j=2x/W，W为标尺节距。相位跟踪细分框图如下图所示。鉴相电路移位脉冲门相对相位基准分频器显示电路放大整形umsin(t+j)dj-d移相脉冲图7－12相位跟踪细分框图2.鉴相电路鉴相电路要做三方面的工作：确定偏差信号j-d是否超过门槛；输出与偏差信号相对应的方波脉宽信号确定j与d的导前、滞后关系，以确定滑尺移动方向，也就是辨向。鉴相电路如下图所示。此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题。

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鉴相电路没有门槛，会有在平衡点附近振摆跟踪的问题

图７－13鉴相电路a)电路图

b)正向波形图

c)反向波形图

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXUj

′

Ud′

RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)图7-14有门槛的鉴相电路a)电路图

b)正向波形图

c)反向波形图

图7-15加减脉冲改变d原理图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前移减脉冲加脉冲相对相位基准和移相脉冲门改变d原理图如下。相对相位基准与移相脉冲原理图如图7-16所示。

3.相对相位基准和移相脉冲门n/4分频器二分频器

Uxn/2分频器相对相位基准移相脉冲门Uc

Ms去数显电路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&

f0

Fx

图7-16相对相位基准与移相脉冲4．测量速度动态测量时（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

式中，V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为标尺节距。或

移动速度产生的相位差Δθ为7.2.2幅值跟踪细分

7.2.3脉冲调宽型幅值跟踪细分7.2.4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。细分系统原理框图如下。鉴相器环路滤波器压控振荡器n分频器fifofo/nUc图7-29锁相倍频细分原理图此系统由四个主要部件——鉴