信号细分与辨向电路

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 信号细分与辨向电路,1,信号细分电路概念：,概 述,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。,随着电子技术的飞速发展，细分电路可达到的分辨率越来越高，同时成本却在不断降低，,电路细分已经成为人们提高仪器分辨率的主要手段之一,。,2,概 述,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。,细分电路在机械和电子等领域有着广泛的应用，,本章内容主要针对测控系统中应用广泛的位移信号,，如来自光栅、磁栅、激光干涉仪等的信号细分。,这类信号的共同特点是：,3,电路细分原因：,概 述,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。,4,细分的基本原理：,概 述,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。,5,辨向的问题：,概 述,由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。,6,细分电路的分类：,概 述,按工作原理，可分为直传式细分和平衡补偿式细分。,按所处理的信号，可分为调制信号细分电路和非调制信号细分电路。,7,第一节 直传式细分电路,第二节 平衡补偿式细分电路,概 述,8,x,i,x,1,x,o,K,1,K,2,K,m,x,1,x,2,7.1,直传式细分电路,直传式细分电路由若干环节串联而成。,输入量：来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为,90,0,的两路方波最为常见。,输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。,中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向末端传递信息,直传的意思。,9,系统灵敏度：,K,s,j,x,o,对,x,j,的灵敏度,K,s,j,=K,j+,1,K,m,7.1,直传式细分电路,电路结构属于开环系统，系统总的灵敏度,(,也称传递函数,),K,s,为各个环节灵敏度,K,j,(,j,=1,m,),之积。,如果个别环节灵敏度,K,j,发生变化，它势必会引起系统总的灵敏度的变化。此外，由于干扰等原因，当某一环节的输入量有增量 时，都会引起输出量,x,o,的变化，此时：,10,直传系统特点：,7.1,直传式细分电路,直传式系统信号单向传递，故越在前面的环节，其输入变动量所引起的,x,o,的变动量越大。因此要保持系统的精度必须稳定各环节的灵敏度，特别是减少靠近输入端的环节的误差。,11,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。,7.1,直传式细分电路,12,典型的直传式细分电路,7.1,直传式细分电路,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,13,输入信号：具有一定相位差,(,通常为,90,),的两路方波信号。,细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分。,辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。,四细分辨向电路,四细分辨向电路是最为常用的细分辨向电路。,14,单稳四细分辨向电路,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。,15,D,G7,&,&,&,&,&,&,&,&,U,O1,D,G5,U,O2,D,G10,R,1,&,&,1,&,&,1,1,A,1,D,G1,C,1,D,G3,R,2,D,G2,C,2,D,G4,D,G8,R,3,C,3,C,4,D,G9,R,4,D,G6,A,A,B,B,B,B,B,A,A,A,A,1,B,B,B,A,A,A,A,B,B,B,1,图,7-2,单稳四细分辨向电路,A,A,B,B,16,A,B,A,B,U,o1,U,o2,a),A,B,A,B,U,o1,U,o2,b),17,电阻链分相细分是应用很广的细分技术，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。,电阻链分相细分,18,设电阻链由电阻,R,1,和,R,2,串联而成，电阻链两端加有交流电压,u,1,、,u,2,，其中，,u,1,=E,sin,t,，,u,2,=E,cos,t,。,电阻链分相细分,u,1,u,2,u,o,u,2,R,1,R,2,u,o,u,1,输出电压的幅值与相位都与,R,1,和,R,2,的比值有关。,不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。,19,36,o,108,o,18,o,0,o,162,o,90,o,54,o,72,o,144,o,126,o,56k,33k,18k,24k,18k,24k,56k,33k,24k,33k,56k,18k,33k,24k,18k,56k,12k,12k,1,2,3,5,6,4,13,12,11,9,8,10,6,5,4,1,13,12,11,8,9,10,E,sin,t,E,cos,t,-E,sin,t,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,-,+,+,N,=,1,=,1,=,1,=,1,=,1,2,3,=,1,=,1,=,1,U,R,电阻链五倍频细分电路,20,1,2,3,13,11,13,12,11,3,5,6,4,8,10,9,8,10,4,E,sin,t,五倍频细分电路的波形,21,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。,电阻链分相细分,22,微型计算机具有丰富的运算和逻辑功能，它可用来完成细分，从而简化仪器电路（硬件）结构，增强仪器功能，提高仪器精度。,微型计算机细分,23,1 2 3 4 5 6 7 8,u,1,u,2,b),卦限图,两路原始正交信号,u,1,=A,sin,和,u,2,=A,cos,作为输入。微机通过判别两信号的极性和绝对值的大小，实现,8,细分。,微型计算机细分,辨向,电路,可逆,计数器,数字,计算机,A,cos,过零,比较器,/#,/#,显示电路,a),电路原理图,A,sin,24,卦限,u,1,的极性,u,2,的极性,|,u,1,|,、,|,u,2,|,大小,1,+,+,|,u,1,|,u,2,|,2,+,+,|,u,1,|,u,2,|,3,+,|,u,1,|,u,2,|,4,+,|,u,1,|,u,2,|,5,|,u,1,|,u,2,|,6,|,u,1,|,u,2,|,7,+,|,u,1,|,u,2,|,8,+,|,u,1,|,u,2,|,微型计算机细分,25,在一个卦限内，按信号绝对值比值大小，还可以再实现若干细分。,微型计算机细分,或,1 2 3 4 5 6 7 8,u,1,u,2,b),卦限图,在,1,、,4,、,5,、,8,卦限用,|tan,|,，在,2,、,3,、,6,、,7,卦限用,|cot,|,。上述卦限中的,|tan,|,或,|cot,|,值都在,0,到,1,之间变化，因而可用,0,0,45,0,间的,|tan,|,值来表示。这样，在计算机中固化一个表，如果每卦细分数为,N,，则用,N,个存储单元固化,0,0,45,0,间,N,个正切值。,两信号,|,u,1,|,、,|,u,2,|,的比值可按：,26,微型计算机细分,例如,N,=25,，经,8,细分后的每个卦限再被细分成,25,份，微机在此表中查询与已算得的,|tan,|,值或,|cot,|,值最接近的存储单元，如果该存储单元是正切表的第,k,个单元，则相位角,对应的细分数,x,由下列公式决定：,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+,k,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-,k,然后计算,x,对应的被测量，也就实现了细分。,27,优点：,微型计算机细分,这种细分方法由于还需要进行软件查表，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高或静态测量中。,利用判别卦限和查表实现细分，相对来说减少了计算机运算时间，若直接算反函数 或,要花更多的时间；通过修改程序和正切表，很容易实现高的细分数。,缺点：,28,只读存储器,减,计数锁存器,周期计数器,逻辑控制器,A,sin,A,cos,X,Y,细分锁存器,加减,信号,发生,器,加,/#,/#,D,0,D,6,D,7,D,8,D,9,.,.,.,.,.,.,只读存储器细分,只读存储器细分是微型计算机细分的发展，旨在解决微机细分中软件查表速度慢的问题，改软件查表为硬件查表。,29,0 128 255,X,Y,255,128,图,7-10,模,/,数转换结果与对应角度的关系,只读存储器细分,30,只读存储器细分,只读存储器细分速度较快，可满足几十千赫兹到上百千赫兹信号细分的要求，随着电子工业的飞速发展，模,/,数转换器的速度将不断提高，只读存储器方法的细分速度可望得到进一步提高。同时由于其细分数较高，电路相对简单的特点，这种细分方法具有广泛的应用前景。,31,7.2,平衡补偿式细分电路,平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节距大的感应同步器，也用于磁栅、光栅式仪器中。,这种细分方法可实现高的细分数,，例如,2000,，甚至,10000,。,平衡补偿式细分电路的相应速度一般比直传式细分电路的低，如果测量速度过快，就会发生跟踪不上，甚至失步的问题。为保证精度，必须限制测量速度。,比较器,F,K,s,x,o,x,i,-,+,N,x,F,x,i,-x,F,门槛电压不能太小,32,平衡补偿式细分电路,相位跟踪细分,7.2,平衡补偿式细分电路,33,原理,相位跟踪细分,j,调制相移角，,j,通常与被测位移,x,成正比，,j,=2,x,/,W,，,W,为标尺节距,。,相位跟踪细分属于平衡式细分，它的输入信号一般为相位调制信号：,U,m,、,载波信号的振幅和角频率；,34,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,u,m,sin(,t+,j,),d,j,-,d,移相脉冲,图,7,12,相位跟踪细分框图,相位跟踪细分,35,鉴相电路,相位跟踪细分,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,36,U,d,U,X,&,&,&,&,&,U,c,U,j,U,d,D,G1,U,j,D,G2,D,G3,D,G4,D,G5,F,X,F,X,a),U,j,U,d,U,c,D,G1,D,G2,U,x,F,x,U,j,U,d,U,c,D,G1,D,G2,U,x,F,x,b),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。,U,c,相位跟踪细分,鉴相电路,37,U,d,U,X,&,&,&,&,&,U,c,U,j,U,d,D,G1,U,j,D,G2,D,G3,D,G4,D,G5,F,X,F,X,U,j,U,c,U,d,R,R,C,C,a),U,j,U,j,U,d,U,c,D,G1,D,G2,U,x,F,x,b),U,j,U,d,U,d,U,c,D,G1,D,G2,U,x,F,x,c),有门槛的鉴相电路,U,j,的上升滞后与,U,j,的上升。若,U,j,与,U,d,的相位差很小，在,U,