信号细分与辨向电路.ppt

1 第七章信号细分与辨向电路 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 第一节直传式细分电路第二节平衡补偿式细分电路 概述 9 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900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 10 系统灵敏度 Ksj xo对 xj的灵敏度 Ksj Kj 1 Km 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 Ks为各个环节灵敏度Kj j 1 m 之积 如果个别环节灵敏度Kj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xo的变化 此时 11 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xo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 12 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 13 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 14 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 7 1 1四细分辨向电路 四细分辨向电路是最为常用的细分辨向电路 15 单稳四细分辨向电路 7 1 1四细分辨向电路 原理 利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分 16 DG7 UO1 DG5 UO2 DG10 R1 1 1 A C1 DG3 R2 DG2 C2 DG4 DG8 R3 C3 C4 DG9 R4 DG6 A B B B A A A 1 B B B A 1 图7 2单稳四细分辨向电路 A B 17 18 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 7 1 2电阻链分相细分 19 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 Esin t u2 Ecos t 7 1 2电阻链分相细分 输出电压的幅值与相位都与R1和R2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 20 电阻链五倍频细分电路 21 123131113 12 11 3 5648109 8 10 4 Esin t 五倍频细分电路的波形 22 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 7 1 2电阻链分相细分 23 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 7 1 3微型计算机细分 24 两路原始正交信号u1 Asin 和u2 Acos 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 7 1 3微型计算机细分 25 7 1 3微型计算机细分 26 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 7 1 3微型计算机细分 或 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00 450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00 450间N个正切值 两信号 u1 u2 的比值可按 27 7 1 3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 然后计算x对应的被测量 也就实现了细分 28 优点 7 1 3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 29 7 1 4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 30 图7 10模 数转换结果与对应角度的关系 7 1 4只读存储器细分 31 7 1 4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 32 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 33 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 34 原理 7 2 1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 Um 载波信号的振幅和角频率 35 图7 12相位跟踪细分框图 7 2 1相位跟踪细分 36 鉴相电路 7 2 1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 37 UX Uc Uj Ud DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 FX FX a 此鉴相电路没有门槛 会有在平衡点附近振摆跟踪的问题 7 2 1相位跟踪细分 鉴相电路 38 UX Uc Uj Ud DG1 DG2 DG3 DG4 DG5 FX FX Ud R R C C a 有门槛的鉴相电路 Uj 的上升滞后与Uj的上升 若Uj与Ud的相位差很小 在Uj 到达开门电平前 Ud已经上跳 就不会形成相位差信号 39 加减脉冲改变 d原理图 7 2 1相位跟踪细分 相对相位基准和移相脉冲 40 相对相位基准与移相脉冲 7 2 1相位跟踪细分