測控電路（第7版）課件：信號細分與辨向電路

信號細分與辨向電路8.1直傳式細分電路8.2平衡補償式細分本章知識點四細分辨向電路和電阻鏈五細分辨向電路微型計算機細分電路相位跟蹤細分和鎖相倍頻細分相位跟蹤細分和幅值跟蹤細分信號細分與辨向電路為什么要細分？提高分辨力信號細分電路又稱插補器，是采用電路手段對周期性的增量碼信號進行插值提高儀器分辨力的一種方法。細分的基本原理是：根據(jù)周期性測量信號的波形、幅值或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插補，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力。

高分辨力是高精度的必要條件。激光干涉儀123546信號細分與辨向電路光柵測量裝置亮亮暗W指示光柵主光柵受工藝和造價等限制信號細分與辨向電路感應(yīng)同步器WW=2mm滑尺定尺受工藝和允許電流限制需要讀出一個周期內(nèi)的移動量:細分信號細分與辨向電路什么是辨向？辨向：辨別機構(gòu)的移動方向由A前進至C與由A后退至B信號變化情況相同由E前進與由D后退信號變化情況相同難以根據(jù)單一信號辨向ABCDE信號細分與辨向電路為了辨向常需要兩路信號AB前進B在A前面后退A在B前面ttuu信號細分與辨向電路無法根據(jù)兩路相位差0°或180°的信號辨向，相位差90°的兩路信號最可靠。信號細分與辨向電路8.1直傳式細分電路8.1.1四細分辨向電路8.1.2電阻鏈細分8.1.3微型計算機細分8.1直傳式細分電路直傳式細分直接利用位移信號進行細分，稱其為直傳式是相對于跟蹤式（平衡補償式）而言的，也因為它可以由若干細分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成系統(tǒng)總的靈敏度Ks為各個環(huán)節(jié)靈敏度Kj(j=1~m)之積，如果個別環(huán)節(jié)靈敏度Kj發(fā)生變化，它勢必引起系統(tǒng)總的靈敏度的變化。

xi

x1

xo

K1

K2

KmDx1

x2

8.1.1四細分辨向電路四細分辨向電路為最常用的細分辨向電路，輸入信號為具有一定相位差(通常為90°)的兩路方波信號。細分的原理基于兩路方波在一個周期內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊沿的處理實現(xiàn)四細分，辨向是根據(jù)兩路方波相位的相對導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。1、單穩(wěn)四細分辨向電路單穩(wěn)四細分辨向電路：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分。1、單穩(wěn)四細分辨向電路細分：利用兩路相位差90°

的信號的4個跳變沿，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路在一個周期內(nèi)輸出4個脈沖。R&CDG21DG1AA

ABA

單穩(wěn)辨向：如果A′出現(xiàn)在B為負的半周期，則A滯后于B，正向運動；如果A′出現(xiàn)在B為正的半周期，則A超前于B，反向運動。ABA

ABA

前進后退1、單穩(wěn)四細分辨向電路正向：

A

出現(xiàn)在B為負的半周期

B

出現(xiàn)在A為正的半周期

A

出現(xiàn)在B為正的半周期

B

出現(xiàn)在A為負的半周期反向：

B

出現(xiàn)在A為負的半周期

A

出現(xiàn)在B為正的半周期

B

出現(xiàn)在A為正的半周期

A

出現(xiàn)在B為負的半周期

ABAB前進后退1、單穩(wěn)四細分辨向電路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

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

A￠A￠

B￠

B￠

B￠A￠A￠

A￠A￠B￠

B￠B￠

≥1≥11、單穩(wěn)四細分辨向電路

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

1、單穩(wěn)四細分辨向電路2、HCTL-20XX系列四細分辨向電路HCTL-20XX系列8.1.2電阻鏈細分為了實現(xiàn)更大的細分數(shù)，需要生成具有不同相位的多個信號。將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點上可得到相位各不同的電信號。這些信號經(jīng)整形，脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。a)原理圖b)相量圖u1

uo

u2

R1R2uo8.1.2電阻鏈細分電阻鏈五倍頻細分電路

36o

108o

18o

0o

162o90o

54o

72o

144o

126o56kΩ

33kΩ18kΩ

24kΩ

18kΩ

24kΩ

56kΩ

33kΩ

24kΩ

33kΩ

56kΩ

18kΩ

33kΩ

24kΩ

18kΩ

56kΩ

12kΩ

12kΩ

1

235

6

413

12

11

9

8

106￠

5￠

4￠

1￠

13￠

12￠

11￠

8￠

9￠10￠

Esinωt

Ecosωt

-Esinωt

∞-++

N

∞-++

N

∞-+

+

N∞-++

N∞-++

N

∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

=

1=

1

=

1

=

1=

1

2￠

3￠

=1

=

1

=

1

UR36oooo1854720o

90108144126162oooooo180還需要解決辨向問題，采取形成以72°為周期的兩路方波信號的辦法8.1.2電阻鏈細分電阻鏈五倍頻細分電路通過一定邏輯組合，獲得五倍頻正余弦信號，送入四細分辨向電路，實現(xiàn)20

細分辨向

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠

1111￠3￠12+1312+13￠￠1+2￠￠

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠

Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠8.1.3微型計算機細分a）電路原理圖

辨向電路可逆計數(shù)器數(shù)字計算機Acos

過零比較器∩/#∩/#顯示電路Asin

整周期計數(shù)周期內(nèi)細分一周期內(nèi)絕對碼信號1、4、5、8卦限2、3、6、7卦限u1u21

2

34

5

678卦限u1的極性u2的極性|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|8.1.3微型計算機細分1

2

34

5

678u1u2

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+k200細分

為減少計算機運算時間，采用軟件查表，細分速度比硬件慢，主要用于靜態(tài)測量中。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-k8.1.3微型計算機細分8.2平衡補償式細分8.2.1相位跟蹤細分8.2.2幅值跟蹤細分8.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分8.2.4頻率跟蹤細分——鎖相倍頻細分8.2平衡補償式細分平衡補償式細分電路是一種帶負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)

xi-xF

xF

比較器

F

Ksxo-

+N

∫

xi系統(tǒng)平衡時xi-xF=0閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度

umsin(

t+

j)

d

j-

d移相脈沖鑒相電路放大整形移位脈沖門顯示電路相對相位基準分頻器8.2.1相位跟蹤細分相位跟蹤細分屬平衡式細分，它的輸入信號一般為相位調(diào)制信號uj=umsin(

t+

j)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFx

UdUx&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uj

DG2DG3DG4DG5FxFxUc

Uj位移信號Ud為相位補償信號Uc是為辨向參考信號它是Ud的倍頻信號(1)根據(jù)

j-d輸出對應(yīng)的脈寬信號Ux;(2)根據(jù)

j與

d的導(dǎo)前、滯后，確定滑尺移動方向，輸出Fx或Fx

問題：沒有遲滯，會來回振蕩1、鑒相電路

UdUx&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FxFxUj

′

Ud′

RRCCUjUj

UdUcDG1DG2UxFxUjUdUd

UcDG1DG2UxFx引入遲滯，只有

j-d信號延續(xù)一定時段才有輸出利用Uj和Ud的延時信號Uj

、Ud

，只有當Uj與Ud的相位差超過一定時限才有脈寬信號Ux輸出1、鑒相電路2、相對相位基準和移相脈沖門a)時鐘脈沖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Ux=0:DF正常二分頻Ux=1:DF不工作，輸出1Fx=0:DG2關(guān)閉，減脈沖Fx=1:DG2開啟，脈沖數(shù)加倍

Uxn/2分頻器相對相位基準移相脈沖門

Ms去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&

f0

Fx

Uc

二分頻器n/4分頻器去鑒相器2、相對相位基準和移相脈沖門由于在一個載波周期僅有一次比相，動態(tài)測量時（指在部件移動過程中就要讀出它的位移），為使測量速度引起的誤差不超過一個細分脈沖當量，就要求在一個載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個細分脈沖當量，即靜態(tài)測量時（指移動部件停止運動后才讀數(shù)），盡管在傳感器位移時會發(fā)生超過一個脈沖當量的誤差，但是，一旦傳感器在測量位置停下，經(jīng)過一段時間，就能讀得合乎精度要求的測量數(shù)據(jù)。3、測量速度UjUx

/2UjUx沒跟蹤Ud

無脈沖進入，等待跟蹤后Ud與Uj同時翻轉(zhuǎn)跟蹤后Ud加倍進脈沖停止進脈沖，仍落后

/2Uj滯后Uj超前沒跟蹤Ud3、測量速度WW=2mm余弦繞組定尺正弦繞組8.2.2幅值跟蹤細分原理鑒幅辨控制電路顯示電路切換計數(shù)器函數(shù)發(fā)生器θjθde調(diào)幅脈沖向電路放大濾波電路感應(yīng)同步器e超出門檻電平就改變θd，使減小，θd跟蹤θj的變化感應(yīng)同步器供電電壓的變化靠函數(shù)變壓器實現(xiàn)1、原理2、鑒幅器偏差電壓從零開始，一般不超過幾十毫伏。偏差電壓送入鑒幅器前需經(jīng)電壓放大、全波整流和濾波處理，然后與鑒幅器的門檻電壓相比較。鑒幅器一般有兩個門檻，稱為粗、精門檻，設(shè)置兩個門檻的目的是在保證細分分辨力的基礎(chǔ)上提高測量速度。測量開始時，允許較高的測量速度，速度大時產(chǎn)生的

j-

d大，感應(yīng)電動勢e也大，這時系統(tǒng)以大步距

d跟蹤，使

d迅速趕上

j。接近平衡位置時，e較小。當e小于粗門檻但大于精門檻，系統(tǒng)則以小步距

d跟蹤，直到

d=

j，系統(tǒng)平衡為止。3、函數(shù)電壓發(fā)生器函數(shù)電壓發(fā)生器一般采用多抽頭變壓器，稱作函數(shù)變壓器，不同抽頭有不同umsinθd或umcosθd輸出電壓幅度。00180180360360θd/(?)θd/(?)usucucusc)變形正弦a)正弦信號00180180360360θd/(?)θd/(?)b)余弦信號d)變形余弦前半周期后半周期3、函數(shù)電壓發(fā)生器為了實現(xiàn)n細分，變壓器需要n個抽頭。為減少抽頭簡化供電方式。采用變形正余弦激磁電壓后后半周期，輸出信號e變號，需要在辨向中注意。為進一步減少抽頭，180

的相位角先按

=18

等分為10份，再把18

按

=1.8

等分為10份，則可寫出

d＝A

＋B

。A、B為0～9的整數(shù)。可寫出因為B

=(0～9)

1.8

=0

～16.2

，cosB

=1～0.963。正余弦勵磁電壓同時增大不影響平衡位置，故可近似取3、函數(shù)電壓發(fā)生器3、函數(shù)電壓發(fā)生器正余弦變壓器正切變壓器3、函數(shù)電壓發(fā)生器DG1DG2WxM+

FxCySRDC=1&SRDCDF1DF2Q2

Q1

D2

M-4、辨向電路前后節(jié)距利用切換計數(shù)器的正反溢出脈沖辨別D2=Q1

Wx

cos

t為最大時發(fā)出的采樣脈沖前節(jié)距，后節(jié)距，e經(jīng)倒相整形后的信號b)反向運動波形eOωteOωtOωtD2OωtCyOωtWxOWxωtQ1OωtOQ1ωtD2OωtOFxωtOωtCyFxOωta)正向運動波形4、辨向電路滑尺正向運動時，F(xiàn)x=1；反向運動時，F(xiàn)x=05、測量速度動態(tài)測量時，傳感器的移動速度取決于系統(tǒng)在一個載波周期內(nèi)作幾次補償，以及補償步距Δθd的大小。若載波頻率f=10kHz，每周期補償一次，Δθd相當一個脈沖當量0.01mm，則移動速度v=0.01mm10kHz=6m/min。若把Δθd增大到10倍，則移動速度可增大到60m/min。這就是采用粗、精兩個門檻的原因。當傳感器移動速度不高時，誤差信號低于粗門檻時，函數(shù)變壓器以每步1.8°的速度補償，傳感器具有較高的分辨力。當移動速度較高時，誤差信號將超過粗門檻，這時函數(shù)變壓器則直接以每步18°的速度補償，以保證不丟失整個節(jié)距。當然，作為代價，測量的分辨力也相應(yīng)降低10倍?？傊?，本系統(tǒng)比相位跟蹤系統(tǒng)允許更高的移動速度。8.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分調(diào)寬脈沖波的波形分析a)非對稱波b)對稱波UmususUmucUm-2

-

2

-

t

0ucUm0

2

-

-2

t0-

d

-2

-

2

t

d0-

d

-2

-

2

t