信號(hào)細(xì)分與分辨電路

1、第第7章章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路作用：細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行作用：細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行 插值，提高儀器的分辨力；辨向電路實(shí)插值，提高儀器的分辨力；辨向電路實(shí) 現(xiàn)對(duì)周期性信號(hào)極性的判斷?，F(xiàn)對(duì)周期性信號(hào)極性的判斷。 7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路 7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 信號(hào)細(xì)分電路概念：信號(hào)細(xì)分電路概念： 信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)周信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值，提高儀器分辨力。期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值，提高儀器分辨力。第第7章章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路 信號(hào)的

2、共同特點(diǎn)信號(hào)的共同特點(diǎn)： 信號(hào)具有周期性，每變化一個(gè)周期就對(duì)應(yīng)著空間上信號(hào)具有周期性，每變化一個(gè)周期就對(duì)應(yīng)著空間上一個(gè)固定位移量。例如光柵、磁柵、容柵、一個(gè)固定位移量。例如光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器等輸出的信號(hào)。等輸出的信號(hào)。 細(xì)分的基本原理：細(xì)分的基本原理： 根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。周期的更高的分辨力。第第7章章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路 電路細(xì)分原因：電路細(xì)分原因： 測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)

3、周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路通常采用對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則儀器對(duì)位移的測(cè)量，若單純對(duì)信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則儀器的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了提高的分辨力就是一個(gè)信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。 為什為什么要么要辨向：辨向： 由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向 的問題。的問題。第第7章章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向

4、電路 細(xì)分電路分類：細(xì)分電路分類： 按工作原理，可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。按工作原理，可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。 按所處理的信號(hào)可分為調(diào)制信號(hào)細(xì)分電路和非調(diào)制信按所處理的信號(hào)可分為調(diào)制信號(hào)細(xì)分電路和非調(diào)制信號(hào)細(xì)分電路。號(hào)細(xì)分電路。Ks=K1K2K3Km 7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路第第7章章 信號(hào)細(xì)分與辨向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路xi x1 x2 xo K1 K2 Km xj 由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，各環(huán)節(jié)依次傳遞，總靈敏度為：由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，各環(huán)節(jié)依次傳遞，總靈敏度為： 若某一環(huán)節(jié)由于干擾原因引起輸入量有增量若某一環(huán)節(jié)由于干擾原因引起輸入量有增量xj時(shí)時(shí)，則輸出量變?yōu)椋?/p>

5、則輸出量變?yōu)椋簃jxK xKxoSiSjj1 KSj 由于由于 xj引起輸出變化的靈敏度，引起輸出變化的靈敏度，Ksj=Kj+1Km。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：抗干擾能力較差，其精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)?？垢蓴_能力較差，其精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速?zèng)]有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速 度快，有著廣泛的應(yīng)用。度快，有著廣泛的應(yīng)用。 越靠近輸入端環(huán)節(jié)的輸入量增量越靠近輸入端環(huán)節(jié)的輸入量增量xj所所引起輸出的變引起輸出的變化就越大，故盡量減小靠近輸入端環(huán)節(jié)的誤差?；驮酱?，故盡量減小靠近輸入端環(huán)節(jié)的誤差。7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路7.1.1 四細(xì)分辨向電路

6、四細(xì)分辨向電路 輸入信號(hào)：輸入信號(hào)：相位差相位差90 的兩路方波信號(hào)。的兩路方波信號(hào)。 細(xì)分原理：細(xì)分原理：基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。和兩個(gè)下降沿，通過對(duì)邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。 辨向原理：辨向原理：根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系根據(jù)兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)作為判別依據(jù)。7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路* * 7.1.1.1 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 由四個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器和二個(gè)由四個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器和二個(gè)“與或非門與或非門”組成，利用單組成，利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊

7、沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。DG7&Uo1DG5Uo2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6ABBBBBAAA A 1B B B A A A B 1B B AA 7.1.1.1 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路正向運(yùn)動(dòng)正向運(yùn)動(dòng)(A超前超前B ) A B A BUo1Uo2B A 90 反向運(yùn)動(dòng)反向運(yùn)動(dòng)(A滯后滯后B ) A B A BUo1Uo2B A 90 7.1.1.2 HCTL-20XX系列四細(xì)分辨向電路系列四細(xì)分辨向電路 CLKCK 數(shù)字?jǐn)?shù)字濾波器濾波器施密特施密特觸發(fā)器觸發(fā)器C

8、H ACH B計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)方向Q0-Q11,15 四細(xì)分四細(xì)分辨向電路辨向電路 12/16位位可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器Q0Q7Q0Q11,15D0D11,15INH12/16位位 鎖存器鎖存器B0B7A0A7 SEL OE888D0D7細(xì)分脈沖細(xì)分脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)方向級(jí)聯(lián)脈沖級(jí)聯(lián)脈沖 U/D CNTCASHCTL-2020具有的功能具有的功能多路切換器多路切換器三態(tài)緩沖器三態(tài)緩沖器SEL OE禁止邏輯禁止邏輯*HCTL-2000中中A4-A7接地接地CNTDECR 輸入信號(hào)：輸入信號(hào)：相位差相位差90 的兩路正余弦的兩路正余弦(正交正交)模擬信號(hào)。模

9、擬信號(hào)。 * * 7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分電路電阻鏈分相細(xì)分電路7.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路 工作原理：工作原理：將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，由于兩信將正余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，由于兩信號(hào)的疊加作用，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相號(hào)的疊加作用，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有良好的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用廣泛；具有良好的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用廣泛； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：細(xì)分?jǐn)?shù)越高所需的元器

10、件數(shù)目也成比例地增加，細(xì)分?jǐn)?shù)越高所需的元器件數(shù)目也成比例地增加，使電路變得復(fù)雜，因此電阻鏈細(xì)分主要用于細(xì)分?jǐn)?shù)不使電路變得復(fù)雜，因此電阻鏈細(xì)分主要用于細(xì)分?jǐn)?shù)不高的場(chǎng)合。高的場(chǎng)合。設(shè)設(shè) u1=Esin t ，u2=Ecos t ，則，則7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分電路電阻鏈分相細(xì)分電路7.1.2.1 原理原理RREuuuRtRtUtRRRRRR21o1221om121212(sincos)sin() EURRRR22om1212 改變改變R1R2可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)uo的幅值的幅值Uom和相位和相位 ，uo經(jīng)經(jīng)電壓比較器整形為方波，再經(jīng)邏輯電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。電壓比較器整形為方波，再經(jīng)邏輯

11、電路處理即可實(shí)現(xiàn)細(xì)分。 u1 u2uoERRR112 ERRR212 u2 R1R2uou1RR12arctan (超前超前)36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k12k12356413121198106 5 4 1 13 12 11 8 9 10 EsintEcost-Esint- -+N= 1= 1= 1= 1= 12 3 = 1= 1= 1UR=0- -+N- -+N- -+N- -+N- -+N- -+N- -+N- -+N- -+N12k33k24k56k18k五倍頻五倍頻五倍頻五倍頻

12、圖圖7.6 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路電阻鏈五倍頻細(xì)分電路7.1.2.2 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路電阻鏈五倍頻細(xì)分電路 構(gòu)成：構(gòu)成：電阻鏈移相網(wǎng)絡(luò)、電壓比較器、邏輯電路電阻鏈移相網(wǎng)絡(luò)、電壓比較器、邏輯電路(異或門異或門)； 移相網(wǎng)絡(luò)：移相網(wǎng)絡(luò)：在第一、二象限內(nèi)給出移相角在第一、二象限內(nèi)給出移相角018 162十路移相信號(hào)十路移相信號(hào)(正弦信號(hào)正弦信號(hào))； 電壓比較器：電壓比較器：將十路移相信號(hào)與參考電平比較形成方波；將十路移相信號(hào)與參考電平比較形成方波； 邏輯電路：邏輯電路：異或門將十路方波在異或門將十路方波在3和和4端獲得兩路相位差端獲得兩路相位差 90的五倍頻方波信號(hào)，滿足四細(xì)分電路對(duì)輸入信號(hào)要求。

13、的五倍頻方波信號(hào)，滿足四細(xì)分電路對(duì)輸入信號(hào)要求。 若將若將3和和4輸出端接入單穩(wěn)輸出端接入單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路的四細(xì)分辨向電路的A和和B，即將，即將圖圖7-6與圖與圖7-2級(jí)聯(lián)就可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)就可實(shí)現(xiàn)20細(xì)分，且能辨向。細(xì)分，且能辨向。圖圖7.7 五倍頻五倍頻(五細(xì)分五細(xì)分)細(xì)分電路的工作波形細(xì)分電路的工作波形 Esin t123131113 12 11 3 5648109 8 10 4 72 108 144 36 7.1.2.3 五細(xì)分專用集成電路五細(xì)分專用集成電路 sin、cos、-sin三路信號(hào)通過電阻鏈移相產(chǎn)生十路移相信號(hào)，三路信號(hào)通過電阻鏈移相產(chǎn)生十路移相信號(hào)，經(jīng)十路比較器和邏輯電路在經(jīng)十

14、路比較器和邏輯電路在O1、O2獲得兩路正交信號(hào)。獲得兩路正交信號(hào)。 絕對(duì)零信號(hào)經(jīng)比較器整形后和兩路方波信號(hào)絕對(duì)零信號(hào)經(jīng)比較器整形后和兩路方波信號(hào)( 、 )相與，獲得標(biāo)準(zhǔn)零脈沖信號(hào)。相與，獲得標(biāo)準(zhǔn)零脈沖信號(hào)。126 144 17814基準(zhǔn)基準(zhǔn)0Vsincos-sin絕對(duì)零位絕對(duì)零位-5V+5VO1O20位位0位位20QA74020417814基準(zhǔn)基準(zhǔn)0Vsincos-sin絕對(duì)零位絕對(duì)零位+5VO1O20位位0位位20QA740204細(xì)分與辨向：由硬件電路完成；細(xì)分與辨向：由硬件電路完成；計(jì)數(shù)、處理和顯示：由微機(jī)完成；計(jì)數(shù)、處理和顯示：由微機(jī)完成；緩沖計(jì)數(shù)器：提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，最高速度為：緩沖

15、計(jì)數(shù)器：提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，最高速度為：7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分 光柵光柵傳感器傳感器 細(xì)分細(xì)分 辨向辨向緩沖計(jì)數(shù)器緩沖計(jì)數(shù)器1 放大放大 整形整形 緩沖計(jì)數(shù)器緩沖計(jì)數(shù)器2微微機(jī)機(jī)接接口口7.1.3.1 與硬件細(xì)分相結(jié)合的細(xì)分技術(shù)與硬件細(xì)分相結(jié)合的細(xì)分技術(shù)vCpN tmax/()將光柵一個(gè)柵距將光柵一個(gè)柵距W內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分。內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分。7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分7.1.3.2 時(shí)鐘脈沖細(xì)分技術(shù)時(shí)鐘脈沖細(xì)分技術(shù)X1X2X0T1T01T02T2位移量：位移量：TTXXXXMWTT121020102()細(xì)分脈沖最小周期：細(xì)分脈沖最

16、小周期：TWNvminmamaxx/() 決定分頻數(shù)決定分頻數(shù)NWxmax/ 最大細(xì)分?jǐn)?shù)：最大細(xì)分?jǐn)?shù)： ( 綜合誤差綜合誤差)x 兩路正交輸入信號(hào)兩路正交輸入信號(hào)u1=Asin 和和u2=Acos ，一方面經(jīng)比較，一方面經(jīng)比較器變?yōu)榉讲?，再?jīng)辨向計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期的計(jì)數(shù)；另一器變?yōu)榉讲?，再?jīng)辨向計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期的計(jì)數(shù)；另一方面經(jīng)方面經(jīng)A/D將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，由接口電路進(jìn)行微機(jī)細(xì)分。將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，由接口電路進(jìn)行微機(jī)細(xì)分。1 2 3 4 5 6 7 8u1u27.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分7.1.3.3 量化細(xì)分技術(shù)量化細(xì)分技術(shù)辨向辨向電路電路 可逆可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器數(shù)字?jǐn)?shù)字

17、計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)Acos 過零過零比較器比較器/# #/# # 顯示電路顯示電路Asin 卦限卦限u1的極性的極性u(píng)2的極性的極性|u1|、|u2|大小大小1+|u1|u2|3+ |u1|u2|4+ |u1|u2|5 |u1|u2|7 +|u1|u2|8 +|u1|u2| 微機(jī)通過判斷兩信號(hào)的極性和絕對(duì)值的大小實(shí)現(xiàn)微機(jī)通過判斷兩信號(hào)的極性和絕對(duì)值的大小實(shí)現(xiàn)8細(xì)細(xì)分。八個(gè)卦限中兩信號(hào)的極性和絕對(duì)值大小如下：分。八個(gè)卦限中兩信號(hào)的極性和絕對(duì)值大小如下：7.1.3.3 量化細(xì)分技術(shù)量化細(xì)分技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：利用計(jì)算機(jī)來判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，相對(duì)來利用計(jì)算機(jī)來判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，相對(duì)來 說減少了計(jì)算

18、機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直接算反函數(shù)說減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直接算反函數(shù)arctan(u1/u2) 或或arccot(u2/u1)，要花費(fèi)更多的時(shí)間；通過修改程序和正，要花費(fèi)更多的時(shí)間；通過修改程序和正 切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟件查表，細(xì)分速這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟件查表，細(xì)分速 度慢，主要用于輸入信號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。度慢，主要用于輸入信號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。7.1.3 微型計(jì)算機(jī)細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分7.1.4 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分改軟件查表為硬件查表改軟件查表為硬件查表只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器減減計(jì)數(shù)鎖存器計(jì)數(shù)鎖

19、存器周期計(jì)數(shù)器周期計(jì)數(shù)器邏輯控制器邏輯控制器Asin Acos XY細(xì)分鎖存器細(xì)分鎖存器加減加減信號(hào)信號(hào)發(fā)生發(fā)生 器器加加/#D0D6D7D8D9./#0 128 255XY255128 YXYXYXYXXYXYYXX128arctan(128,128)1281282arctan(128,128)128(128,128)23(128,128)2128arctan(128)128 7.1.4 只讀存儲(chǔ)器細(xì)分只讀存儲(chǔ)器細(xì)分 兩路正交輸入信號(hào)兩路正交輸入信號(hào)u1=Asin 和和u2=Acos 分別送入兩個(gè)分別送入兩個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

20、X 和和Y，數(shù)，數(shù)值在值在0255之間變化，其中之間變化，其中“128”對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的“0”電電平。平。X和和Y與角度與角度 對(duì)應(yīng)關(guān)系如下，由此可求出對(duì)應(yīng)關(guān)系如下，由此可求出 。 7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分平衡補(bǔ)償式細(xì)分 用途：用途：廣泛應(yīng)用于標(biāo)尺節(jié)距大的感應(yīng)同步器、容柵、廣泛應(yīng)用于標(biāo)尺節(jié)距大的感應(yīng)同步器、容柵、磁柵、光柵等傳感器的后續(xù)儀器中。磁柵、光柵等傳感器的后續(xù)儀器中。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：細(xì)分?jǐn)?shù)高、分辨力高、精度高，但速度低細(xì)分?jǐn)?shù)高、分辨力高、精度高，但速度低(帶負(fù)帶負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)反饋的閉環(huán)系統(tǒng))。xF比較器比較器 Ksxo- -+Nxi Fxi- xF 前饋回路前饋回路細(xì)

21、分機(jī)構(gòu)，分頻數(shù)細(xì)分機(jī)構(gòu)，分頻數(shù)=細(xì)分?jǐn)?shù)細(xì)分?jǐn)?shù)7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分平衡補(bǔ)償式細(xì)分 若若xi-xF0，就用補(bǔ)償量，就用補(bǔ)償量xF去補(bǔ)償去補(bǔ)償xi的變化，使的變化，使xi-xF=0。系。系統(tǒng)平衡：統(tǒng)平衡：xo=xF/F=xi/F 閉環(huán)系統(tǒng)靈敏度：閉環(huán)系統(tǒng)靈敏度：KF=xo/xi=1/F 可見可見KF由由F決定，而與決定，而與Ks無關(guān)。但要求無關(guān)。但要求KsF足夠大，有足夠大，有利于提高跟蹤速度。利于提高跟蹤速度。 由于由于KF是是F的倒數(shù)，系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)就的倒數(shù)，系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)就等于分頻數(shù)，因而系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。等于分頻數(shù)，因而系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。xF比較器比較器 Ksxo- -+Nxi Fxi

22、- xF 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分7.2.1.1 原理原理鑒別相位，實(shí)現(xiàn)細(xì)分辨向。用于鑒相型感應(yīng)同步器。鑒別相位，實(shí)現(xiàn)細(xì)分辨向。用于鑒相型感應(yīng)同步器。 將兩路同頻率、同幅值的正交電壓：將兩路同頻率、同幅值的正交電壓： 和和 ，分別接在感應(yīng)同步器的正、余弦繞組，分別接在感應(yīng)同步器的正、余弦繞組(滑尺滑尺)上，則在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：上，則在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為： uEtssin uEtccos uk Etx/WUtjvmjsin(2)sin() 相位調(diào)制信號(hào)，作為相位跟蹤細(xì)分的輸入信號(hào)。相位調(diào)制信號(hào)，作為相位跟蹤細(xì)分的輸入信號(hào)。 當(dāng)被測(cè)量當(dāng)被測(cè)量x發(fā)生變化時(shí)，相移角發(fā)生變化時(shí)，

23、相移角 j隨之變化。隨之變化。uj經(jīng)放大經(jīng)放大整形為方波后送入鑒相電路，使整形為方波后送入鑒相電路，使 j與相對(duì)相位基準(zhǔn)分頻器與相對(duì)相位基準(zhǔn)分頻器輸出的補(bǔ)償信號(hào)輸出的補(bǔ)償信號(hào) d進(jìn)行比較。當(dāng)偏差信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)偏差信號(hào) j- - d超過門檻時(shí)，超過門檻時(shí)，移相脈沖門打開，輸出移相脈沖。此脈沖改變移相脈沖門打開，輸出移相脈沖。此脈沖改變 d，使使 d跟跟蹤蹤 j，當(dāng)當(dāng) d= j時(shí)系統(tǒng)平衡，關(guān)閉移相脈沖門，停發(fā)移相脈時(shí)系統(tǒng)平衡，關(guān)閉移相脈沖門，停發(fā)移相脈沖。此時(shí)顯示電路的示值沖。此時(shí)顯示電路的示值(移相脈沖數(shù)移相脈沖數(shù))代表被測(cè)位移。代表被測(cè)位移。鑒相電路鑒相電路移移相相脈沖門脈沖門 相對(duì)相位相對(duì)

24、相位基準(zhǔn)分頻器基準(zhǔn)分頻器顯示電路顯示電路放大整形放大整形Umsin( t+ j) d j- - d移相脈沖移相脈沖7.2.1.1 相位跟蹤細(xì)分原理相位跟蹤細(xì)分原理xWj2 鑒相電路要做三方面的工作：鑒相電路要做三方面的工作：（1）確定偏差信號(hào)）確定偏差信號(hào) j- - d是否超過門檻；是否超過門檻；（2）確定輸出）確定輸出Ux與偏差信號(hào)與偏差信號(hào) j- - d相對(duì)應(yīng)的方波脈寬信號(hào)；相對(duì)應(yīng)的方波脈寬信號(hào)；（3）確定）確定 j與與 d的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動(dòng)方向。的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動(dòng)方向。7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分7.2.1.2 鑒相電路鑒相電路UX&Uc Uj

25、 UdDG1DG2DG3DG4DG5FXFXUj Uc UdUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx Fx=1時(shí)表示正向運(yùn)動(dòng)，時(shí)表示正向運(yùn)動(dòng)，Uj超前超前Ud( j導(dǎo)前導(dǎo)前 d)； Fx=0時(shí)表示反向運(yùn)動(dòng)，時(shí)表示反向運(yùn)動(dòng)，Uj滯后滯后Ud ( j滯后滯后 d)。DG3輸出輸出Ux的寬的寬度代表度代表Uj與與Ud的相位差，即的相位差，即Ux脈寬脈寬 j- - d。此鑒相電路。此鑒相電路沒有門檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)沒有門檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)( j= d)附近振擺跟蹤的問題。附近振擺跟蹤的問題。 7.2.1.2 鑒相電路鑒相電路 兩個(gè)兩個(gè)RC延時(shí)電路起門檻作用，調(diào)節(jié)延時(shí)電路起門檻作用，

26、調(diào)節(jié)RC可改變門檻可改變門檻的大小，消除平衡點(diǎn)的大小，消除平衡點(diǎn)( j= d)附近振擺跟蹤的問題。附近振擺跟蹤的問題。7.2.1.2 鑒相電路鑒相電路UX&Uc Uj UdDG1DG2DG3DG4DG5FXFXUj Uc UdUj Ud7.2.1.3 相對(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門相對(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分n/4分頻器分頻器二分頻器二分頻器 Uxn/2分頻器分頻器相對(duì)相位基準(zhǔn)相對(duì)相位基準(zhǔn)移相脈沖門移相脈沖門 Uc Ms去數(shù)顯電路去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&SRDC& f0 Fx Q 作用：作用：（1）產(chǎn)生相位跟蹤信號(hào)）產(chǎn)生相位

27、跟蹤信號(hào) d； （2）細(xì)分）細(xì)分(細(xì)分?jǐn)?shù)細(xì)分?jǐn)?shù)=分頻數(shù)分頻數(shù))。7.2.1.3 相對(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門相對(duì)相位基準(zhǔn)和移相脈沖門 j- - d=0時(shí)，時(shí)，Ux=“0”，Ux=“1”。DG2=“1”，打開，打開DG1(DG1=“0”)，DF工作，分頻后輸出工作，分頻后輸出Ud無移相無移相( d=0)；DG3關(guān)斷關(guān)斷(DG3=“1”)，無脈沖進(jìn)入顯示電路，無脈沖進(jìn)入顯示電路(Ms=0)； 當(dāng)被測(cè)量當(dāng)被測(cè)量x變化，變化， j- - d0時(shí)時(shí)，Ux=“1”，Ux=“0”。DF停止工作，停在停止工作，停在Q=0的狀態(tài)。若的狀態(tài)。若Uj滯后滯后Ud，則，則Fx=“0”，關(guān)斷關(guān)斷DG2 (DG2=“1”)

28、，減脈沖使，減脈沖使 d延后；若延后；若Uj超前超前Ud，則，則Fx=“1”，打開，打開DG2 (DG2=“0”) ，加脈沖使，加脈沖使 d前移前移(圖圖7-20)。 減掉或增加的移相脈沖減掉或增加的移相脈沖Ux的脈寬的脈寬 j- - dx 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)(指在部件移動(dòng)過程中就要讀出它的位移指在部件移動(dòng)過程中就要讀出它的位移)，為使測(cè)量速度引起的誤差不超過一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，就要為使測(cè)量速度引起的誤差不超過一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，就要求在一個(gè)載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)求在一個(gè)載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，即量，即Wfvn60 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分7

29、.2.1.4 測(cè)量速度測(cè)量速度(m/min) 靜態(tài)測(cè)量時(shí)靜態(tài)測(cè)量時(shí)(指移動(dòng)部件停止運(yùn)動(dòng)后才讀數(shù)指移動(dòng)部件停止運(yùn)動(dòng)后才讀數(shù))，也要限，也要限制測(cè)量速度。制測(cè)量速度。 Wfv607(m/min)7.2.2 幅值跟蹤細(xì)分幅值跟蹤細(xì)分7.2.2.1 原理原理鑒別幅值，實(shí)現(xiàn)細(xì)分辨向。用于鑒幅型感應(yīng)同步器。鑒別幅值，實(shí)現(xiàn)細(xì)分辨向。用于鑒幅型感應(yīng)同步器。感應(yīng)感應(yīng)同步器同步器放大濾放大濾波電路波電路e鑒幅辨鑒幅辨向電路向電路控制控制電路電路 j d函數(shù)函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器切換切換計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器顯示顯示電路電路 函數(shù)發(fā)生器提供兩路同頻率、同相位、不同幅值的調(diào)函數(shù)發(fā)生器提供兩路同頻率、同相位、不同幅值的調(diào)幅電壓：幅電壓

30、：us=(Umsin d)cost 和和 uc=(Umcos d)cost ，接在感，接在感應(yīng)同步器的滑尺上，則在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：應(yīng)同步器的滑尺上，則在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：xek Utk UtWvmdvmjd2sin()cossin()cos 7.2.2 幅值跟蹤細(xì)分原理幅值跟蹤細(xì)分原理當(dāng)當(dāng) j = d時(shí)，時(shí)，e=0，系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)平衡(感應(yīng)同步器為比較器感應(yīng)同步器為比較器)； 當(dāng)當(dāng) j d時(shí)，時(shí)，e0，放大濾波后若，放大濾波后若 門檻，鑒幅辨向門檻，鑒幅辨向電路就發(fā)出控制脈沖，使控制電路發(fā)出調(diào)幅脈沖，切換計(jì)電路就發(fā)出控制脈沖，使控制電路發(fā)出調(diào)幅脈沖，切換計(jì)數(shù)器根據(jù)辨向結(jié)果進(jìn)行加法

31、或減法計(jì)數(shù)，函數(shù)發(fā)生器再根數(shù)器根據(jù)辨向結(jié)果進(jìn)行加法或減法計(jì)數(shù)，函數(shù)發(fā)生器再根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖改變據(jù)計(jì)數(shù)脈沖改變 d，使，使 d跟蹤跟蹤 j，直到，直到 j = d為止系統(tǒng)又平為止系統(tǒng)又平衡。此時(shí)顯示電路的示值衡。此時(shí)顯示電路的示值(脈沖數(shù)脈沖數(shù))代表被測(cè)位移，即代表被測(cè)位移，即e 顯示脈沖顯示脈沖 sin( j- d)xe感應(yīng)感應(yīng)同步器同步器放大濾放大濾波電路波電路e鑒幅辨鑒幅辨向電路向電路控制控制電路電路 j d函數(shù)函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器切換切換計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器顯示顯示電路電路7.2.2 幅值跟蹤細(xì)分幅值跟蹤細(xì)分7.2.2.2 鑒幅器鑒幅器 作用：判斷作用：判斷 j- - d的大小，的大小， sin( j-

32、 - d)x 。e 鑒幅器一般有粗、精兩個(gè)門檻。測(cè)量開始時(shí)，測(cè)量速鑒幅器一般有粗、精兩個(gè)門檻。測(cè)量開始時(shí)，測(cè)量速度高，產(chǎn)生的度高，產(chǎn)生的 j- - d較大，感應(yīng)電勢(shì)較大，感應(yīng)電勢(shì) e 也較大，系統(tǒng)以大的也較大，系統(tǒng)以大的步距步距 d跟蹤，使跟蹤，使 d迅速趕上迅速趕上 j。 提高速度提高速度 接近平衡狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)接近平衡狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì) e 較小，當(dāng)精門檻較小，當(dāng)精門檻 e 0，后節(jié)距，后節(jié)距sin( j- - d)0，F(xiàn)x=“1”滑尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，前節(jié)距滑尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，前節(jié)距sin( j- - d)0 e0，F(xiàn)x=“0”7.2.2.4 辨向電路辨向電路 要實(shí)現(xiàn)辨向，就要判斷前后節(jié)距。前后節(jié)

33、距的判斷，要實(shí)現(xiàn)辨向，就要判斷前后節(jié)距。前后節(jié)距的判斷，利用切換計(jì)數(shù)器的正、反向溢出脈沖進(jìn)行。設(shè)感應(yīng)同步器利用切換計(jì)數(shù)器的正、反向溢出脈沖進(jìn)行。設(shè)感應(yīng)同步器細(xì)分?jǐn)?shù)為細(xì)分?jǐn)?shù)為200，切換計(jì)數(shù)器利用，切換計(jì)數(shù)器利用100進(jìn)制，則每當(dāng)計(jì)數(shù)器由進(jìn)制，則每當(dāng)計(jì)數(shù)器由990時(shí)，發(fā)出正向溢出脈沖時(shí)，發(fā)出正向溢出脈沖M+；而當(dāng)計(jì)數(shù)器由；而當(dāng)計(jì)數(shù)器由099時(shí)，時(shí)，發(fā)出反向溢出脈沖發(fā)出反向溢出脈沖M-。M+和和M-送入辨向電路實(shí)現(xiàn)辨向。送入辨向電路實(shí)現(xiàn)辨向。Wx 感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)e經(jīng)倒相整形后的信號(hào)；經(jīng)倒相整形后的信號(hào)；Cy 采樣脈沖采樣脈沖(利用利用 為最大時(shí)發(fā)出為最大時(shí)發(fā)出)。tcos CyDF2M+DG2D

34、G1=1SRDC& Q1M- -WxSRDCDF1 Q2FxD2D17.2.2.4 辨向電路辨向電路D1=M+M- -D2=Q1Wx+Q1Wx 觸發(fā)器觸發(fā)器DF1受受M+和和M- -控制，滑尺每移過控制，滑尺每移過W/2，輸出，輸出Q1變化一次。變化一次。Q1=“1”表示前節(jié)距，表示前節(jié)距，Q1=“0”表示后節(jié)距。表示后節(jié)距。前節(jié)距前節(jié)距Q1=“1”，D2=Wx；后節(jié)距；后節(jié)距Q1=“0”，D2=Wx。Fx=“1” 正向運(yùn)動(dòng)，正向運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)x=“0”反向運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)。 CyDF2M+DG2DG1=1SRDC& Q1M- -WxSRDCDF1 Q2FxD2D17.2.2.4 辨向

35、電路辨向電路 t t t t t tooooooeWxQ1D2CyFx前節(jié)距前節(jié)距后節(jié)距后節(jié)距正向運(yùn)動(dòng)波形正向運(yùn)動(dòng)波形 t t t t t tooooooeWxQ1D2CyFx前節(jié)距前節(jié)距后節(jié)距后節(jié)距反向運(yùn)動(dòng)波形反向運(yùn)動(dòng)波形7.2.2 幅值跟蹤細(xì)分幅值跟蹤細(xì)分7.2.2.5 測(cè)量速度測(cè)量速度 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的移動(dòng)速度取決于系統(tǒng)在一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的移動(dòng)速度取決于系統(tǒng)在一個(gè)載波周期載波周期(T=1/f )內(nèi)的補(bǔ)償次數(shù)內(nèi)的補(bǔ)償次數(shù)n和補(bǔ)償步距和補(bǔ)償步距 d的大?。旱拇笮。簐fnd60 (m/min)7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分7.2.3.1 調(diào)寬脈沖波的波形分析

36、調(diào)寬脈沖波的波形分析 d- d2 2 ot Umus2 2 t oUmuca)非對(duì)稱波非對(duì)稱波滑尺激磁電壓滑尺激磁電壓us和和uc基波分量為：基波分量為：Uutms1d2sincos Uutmc1d2coscos 定尺上的總感應(yīng)電勢(shì)為：定尺上的總感應(yīng)電勢(shì)為：Uektmvjd2sin()sin 調(diào)幅波調(diào)幅波調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) d可可改變改變脈沖寬度，感應(yīng)電勢(shì)脈沖寬度，感應(yīng)電勢(shì)e的幅值發(fā)生變化。的幅值發(fā)生變化。7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分7.2.3.1 調(diào)寬脈沖波的波形分析調(diào)寬脈沖波的波形分析 Uutms1d4sincos Uutmc1d4coscos 定尺上的總感應(yīng)電勢(shì)為：定尺

37、上的總感應(yīng)電勢(shì)為：Uektmvjd4sin()sin 調(diào)幅波調(diào)幅波(幅值提高幅值提高2倍倍)b)對(duì)稱波對(duì)稱波 d- d2 2 ot Umus2 2 t oUmuc調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) d感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)e的幅值發(fā)生變化，的幅值發(fā)生變化， d跟蹤跟蹤 j實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。實(shí)現(xiàn)調(diào)幅?；呒ご烹妷夯呒ご烹妷簎s和和uc基波分量為：基波分量為：7.2.3 脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分感應(yīng)感應(yīng)同步器同步器放大濾放大濾波電路波電路e鑒幅辨鑒幅辨向電路向電路控制控制電路電路 j d數(shù)字函數(shù)數(shù)字函數(shù)發(fā)生器發(fā)生器顯示電路顯示電路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)脈脈沖沖Ms移相脈沖移相脈沖Md當(dāng)當(dāng) j = d時(shí)，時(shí)，e=0，系統(tǒng)平衡；，系

38、統(tǒng)平衡； 當(dāng)當(dāng) j d時(shí)，時(shí)，e0，放大濾波后若，放大濾波后若 門檻，鑒幅辨向門檻，鑒幅辨向電路就發(fā)出控制脈沖和方向信號(hào)，使控制電路發(fā)出移相脈電路就發(fā)出控制脈沖和方向信號(hào)，使控制電路發(fā)出移相脈沖沖Md和計(jì)數(shù)脈沖和計(jì)數(shù)脈沖Ms(頻率受頻率受e的大小控制的大小控制)，移相脈沖，移相脈沖Md改改變數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出變數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出 d，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn) d跟蹤跟蹤 j，直到，直到 j = d為為止。同時(shí)顯示電路根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖顯示被測(cè)位移止。同時(shí)顯示電路根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖顯示被測(cè)位移x的大小。的大小。e Ms sin( j- d)xe鑒相器鑒相器環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器壓控振蕩器壓控振蕩器n分頻器分頻器 fif

39、ofo/nUc7.2.4 頻率跟蹤細(xì)分頻率跟蹤細(xì)分鎖相倍頻細(xì)分鎖相倍頻細(xì)分 作用：作用：對(duì)光柵等傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)光柵等傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行n倍頻，實(shí)現(xiàn)倍頻，實(shí)現(xiàn)n細(xì)分。細(xì)分。鑒相器：鑒相器：將分頻后信號(hào)將分頻后信號(hào)fo/n與輸入信號(hào)與輸入信號(hào)fi進(jìn)行相位比較，輸進(jìn)行相位比較，輸 出一個(gè)誤差信號(hào)；出一個(gè)誤差信號(hào)；環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器：抑制誤差電壓中的高頻成分和噪聲，輸出抑制誤差電壓中的高頻成分和噪聲，輸出Uc；壓控振蕩器：壓控振蕩器：振蕩頻率振蕩頻率fo受受Uc控制，使控制，使fo趨近于趨近于nfi，當(dāng)，當(dāng)fo=nfi 時(shí)，環(huán)路平衡而鎖定，實(shí)現(xiàn)時(shí)，環(huán)路平衡而鎖定，實(shí)現(xiàn)fo=nfi的的n倍頻；

40、倍頻；n分頻器：分頻器：反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)細(xì)分，將反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)細(xì)分，將fo進(jìn)行進(jìn)行n分頻。分頻。7.2.4 頻率跟蹤細(xì)分頻率跟蹤細(xì)分鎖相倍頻細(xì)分鎖相倍頻細(xì)分集成集成CC4046：由兩個(gè)相位比較器和一個(gè)壓控振蕩器組成；由兩個(gè)相位比較器和一個(gè)壓控振蕩器組成；相位比較器：相位比較器：分別為異或門相位比較器和分別為異或門相位比較器和RS相位比較器；相位比較器；RS相位比較器：相位比較器：RS觸發(fā)器形式，輸出脈寬與兩個(gè)比相信觸發(fā)器形式，輸出脈寬與兩個(gè)比相信號(hào)下跳沿的時(shí)間差相對(duì)應(yīng)，作為倍頻細(xì)分的相位比較器；號(hào)下跳沿的時(shí)間差相對(duì)應(yīng)，作為倍頻細(xì)分的相位比較器；環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器：由由R2R3C2組成，輸出電壓組成，輸出電壓Uc由由RS相位比較相位比較器的工作方式所決定，控制壓控振蕩器的頻率，使器的工作方式所決定，控制壓控振蕩器的頻率