第七章 細(xì)分電路

第七章信號細(xì)分與辨向電路§7.1直傳式細(xì)分電路四細(xì)分辨向電路電阻鏈分相細(xì)分微型計(jì)算機(jī)細(xì)分只讀存儲器細(xì)分§7.2平衡補(bǔ)償式細(xì)分相位跟蹤細(xì)分幅值跟蹤細(xì)分脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分頻率跟蹤細(xì)分——鎖相倍頻細(xì)分功能提高分辨力對周期性測量信號進(jìn)行插值識別運(yùn)動(dòng)方向識別測量信號的相位信號細(xì)分電路概念：信號細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對周期性的測量信號進(jìn)行插值提高儀器分辨力。信號的共同特點(diǎn)：

信號具有周期性，信號每變化一個(gè)周期就對應(yīng)著空間上一個(gè)固定位移量。電路細(xì)分原因：

測量電路通常采用對信號周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對位移的測量，若單純對信號的周期進(jìn)行計(jì)數(shù),則儀器的分辨力就是一個(gè)信號周期所對應(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。概述細(xì)分的基本原理輸入信號來自光柵、感應(yīng)同步器、磁柵等傳感器具有周期性信號每變化一個(gè)周期對應(yīng)著空間上的一個(gè)固定的位移量原理利用周期性測量信號的波形、幅度或相位變化規(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)信號周期的更高分辨力利用周期性測量信號的相位關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)方向識別(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的問題。)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。按所處理的信號可分為調(diào)制信號細(xì)分電路和非調(diào)制信號細(xì)分電路。第一節(jié)直接式細(xì)分電路由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成輸入來自（位移）傳感器，多為一對SIN、COS信號或相移為90°的方波信號輸出頻率更高的脈沖信號或模擬信號數(shù)字信號靈敏度（傳遞函數(shù)）

——越靠前的環(huán)節(jié)對輸出的影響越大K1K2

xix1△x1x2Kmxo直接式細(xì)分原理圖開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快抗干擾能力差、精度較低Ksj:xo對⊿xj的靈敏度Ks=K1K2K3…Km缺點(diǎn)：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，有著廣泛的應(yīng)用。典型的細(xì)分電路☆四細(xì)分辨向電路

☆電阻鏈分相細(xì)分☆微型計(jì)算機(jī)細(xì)分☆只讀存儲器細(xì)分

一、四細(xì)分辨向電路最常用的細(xì)分辯向電路原理輸入信號具有一定相位差的兩路方波信號在一個(gè)周期內(nèi)有2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿通過對輸入信號的2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿的處理實(shí)現(xiàn)細(xì)分根據(jù)兩路方波信號的相對導(dǎo)前和滯后關(guān)系辨別方向（一）單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路利用單穩(wěn)電路提取兩路方波信號的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分四細(xì)分&&&&≥1&&&&≥1&&11&11&ABDG1DG6DG3R1C1R2C2DG4DG2R3R4C4DG9DG8ā′B′′ā′BA′A′BB′B′BBA′AAA′āāB′B′UO1UO2單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路DG7DG5DG104、B負(fù)跳變3、B正跳變2、A負(fù)跳變1、A正跳變當(dāng)A發(fā)生正跳變時(shí)，由非門DG1、電阻R1、電容C1和與門DG3組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號A’，此時(shí)為高電平，與或門DG5有計(jì)數(shù)脈沖輸出，由于B為低電平，與或門DG10無計(jì)數(shù)脈沖輸出單穩(wěn)四細(xì)分辯向電路波形反向運(yùn)動(dòng)正向運(yùn)動(dòng)圖7－3四細(xì)分四細(xì)分禁止邏輯計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向D0~D11（15）Q0~Q7Q8~Q11（15）D0~D11（15）INHB0~B7A0~A7*SELOE數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器四細(xì)分向電路辨12/16位可逆計(jì)數(shù)器12/16位鎖存器多路切換器三態(tài)緩沖器級聯(lián)脈沖計(jì)數(shù)方向細(xì)分脈沖CNTDECRU/DCNTCASD0~D7888CLKCK*HCTL－2000中A4~A7接地CHACHBSELOEHCTL－2020具有的功能（二）HCTL－20XX系列四細(xì)分辨向電路(原理圖）二、電阻鏈分相細(xì)分主要實(shí)現(xiàn)對正余弦模擬信號的細(xì)分

工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分1、原理輸入信號SIN、COS信號將SIN、COS信號施加在電阻鏈兩端在電阻鏈接點(diǎn)上得到不同相位與幅度的信號整形在輸入信號的一個(gè)周期中得到若干計(jì)數(shù)脈沖信號u2u1R2R1uou2u1R2R1uo

a）原理圖φu2uou1

b）矢量圖改變u1、u2可以得到第2、3、4象限的輸出信號

設(shè)電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esin

t，u2=Ecos

t

改變R1、R2可以改變φ和Uom2、電阻鏈五倍細(xì)分電路組成電阻移相網(wǎng)絡(luò)給出10路移相信號比較器將正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號一般采用施密特觸發(fā)電路的形式邏輯電路得到2路相位差90°的5倍頻方波信號異或門組合電路串聯(lián)式并聯(lián)式

電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點(diǎn)具有不同的觸發(fā)電平，這個(gè)電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點(diǎn)附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點(diǎn)不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。優(yōu)點(diǎn):具有良好的動(dòng)態(tài)特性,應(yīng)用廣泛缺點(diǎn):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)不高的場合。三、微型計(jì)算機(jī)細(xì)分原理輸入信號SIN、COS信號模/數(shù)轉(zhuǎn)換微機(jī)判斷兩路信號的大小和極性，實(shí)現(xiàn)細(xì)分卦限：45°相位區(qū)間辨向電路可逆計(jì)數(shù)器數(shù)字計(jì)算機(jī)顯示電路∩/#AsinθAcosθ∩/#過零比較器電路原理圖根據(jù)各卦限內(nèi)兩路信號的關(guān)系（極性和大?。┛梢詫?shí)現(xiàn)8細(xì)分在每一卦限內(nèi)，根據(jù)兩路信號的絕對值的比值可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步細(xì)分利用計(jì)算機(jī)代替硬件電路對模擬量進(jìn)行數(shù)字計(jì)算達(dá)到細(xì)分的目的大計(jì)數(shù)小計(jì)數(shù)87654321u1u2卦限圖在1、4、5、8卦限內(nèi)計(jì)算tan值在2、3、6、7卦限內(nèi)計(jì)算cot值tan值與cot值均在0～1之間變化87654321u1u2使用查表的方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分在存儲器中固化一個(gè)表，存儲一個(gè)卦限內(nèi)（45°）N個(gè)tan值微機(jī)在表中查找與計(jì)算出的tan或cot最接近的存儲單元，進(jìn)而求出細(xì)分?jǐn)?shù)例：在一個(gè)卦限內(nèi)實(shí)現(xiàn)25細(xì)分（N=25）設(shè)查找到第k個(gè)單元的值與計(jì)算出的tan或cot最接近，則細(xì)分?jǐn)?shù)x為：第1卦限x=k第2卦限x=50-k第3卦限x=50+k第4卦限x=100-k第5卦限x=100+k第6卦限x=150-k第7卦限x=150+k第8卦限x=200-k特點(diǎn)使用查表法，減少了計(jì)算時(shí)間修改軟件和正切表，能方便地實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)軟件查表，速度較慢應(yīng)用輸入信號頻率不高的場合優(yōu)點(diǎn)：利用判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，相對來說減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，若直接算反函數(shù)或，要化更多的時(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)。缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟件查表，細(xì)分速度慢，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。四、只讀存儲器細(xì)分原理組成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器只讀存儲器細(xì)分鎖存器周期計(jì)數(shù)電路邏輯控制電路硬件查表將兩路輸入信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果（8位數(shù)字量）作為地址信號選通相應(yīng)的存儲單元，輸出固化的一個(gè)周期內(nèi)的細(xì)分?jǐn)?shù)值整周期的計(jì)數(shù)通過對細(xì)分鎖存器最高兩位（D7D6）的處理實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)速度快A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間約1μs，其他操作僅需幾十納秒電路簡單細(xì)分?jǐn)?shù)高應(yīng)用廣泛，特別是輸入信號頻率較高的場合幾十千赫茲～上百千赫茲只讀存儲器細(xì)分原理圖256細(xì)分只讀存儲器細(xì)分鎖存器加減信號發(fā)生器周期計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)鎖存器邏輯控制器……D9D8D7D0AsinθAcosθXY∩/#∩/#D15整周期的計(jì)數(shù)通過對細(xì)分鎖存器最高兩位（D7D6）的處理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)信號值從255增加時(shí)，二個(gè)最高位從11變化為00。反之，當(dāng)信號值從0開始減少時(shí)，這二位從00變?yōu)?1。模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)角度的關(guān)系固化值=INT(θ×256/(2π))題7-1圖例7－1圖7-31為一單穩(wěn)辨向電路，輸入信號A、B為相位差90

的方波信號，分析其辨向原理，并分別就A導(dǎo)前B90、B導(dǎo)前A90的情況，畫出A、Uo1、Uo2的波形?？梢?，當(dāng)A導(dǎo)前B90

時(shí)，Uo1有輸出，Uo2無輸出，當(dāng)B導(dǎo)前A90時(shí)，Uo1無輸出，Uo2有輸出，實(shí)現(xiàn)辨向。

o2

ABABAUO1UO2ABABAUO1UO2

xi-

xF

xF比較器F

Ksxo-+N∫xi第二節(jié)平衡補(bǔ)償式細(xì)分

平衡式細(xì)分原理圖

閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度一、相位跟蹤細(xì)分

1．

原理

uj=umsin(

t+

j)

um、

——載波信號的振幅和角頻率；

j——調(diào)制相移角，

j通常與被測位移x成正比，

j=2

x/W，W為標(biāo)尺節(jié)距。鑒相電路移位脈沖門相對相位基準(zhǔn)分頻器顯示電路放大整形umsin(

t+

j)

d

j-

d移相脈沖

相位跟蹤細(xì)分框圖

2.鑒相電路鑒相電路要做三方面的工作：確定偏差信號

j-

d是否超過門檻；輸出與偏差信號相對應(yīng)的方波脈寬信號確定

j與

d的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動(dòng)方向，也就是辨向

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c)此鑒相電路沒有門檻，會(huì)有在平衡點(diǎn)附近振擺跟蹤的問題圖:鑒相電路a)電路圖b)正向波形圖c)反向波形圖

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXUj

′

Ud′

RRCCa)UjUj

UdUcDG1DG2UxFxUjUdUd

UcDG1DG2UxFxb)c)圖:有門檻的鑒相電路a)電路圖b)正向波形圖c)反向波形圖

3.相對相位基準(zhǔn)和移相脈沖門

圖:加減脈沖改變

d原理圖

a)時(shí)鐘脈沖b)正常分頻c)減脈沖d)使

d延后e)加脈沖f)使

d前移減脈沖加脈沖n/4分頻器二分頻器

Uxn/2分頻器相對相位基準(zhǔn)移相脈沖門

Uc

Ms去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&