第7章信號細分與辨向電路作用：細分電路實現(xiàn)對周期性的測量信號進行插值，提高儀器的辨別力；辨向電路實現(xiàn)對周期性信號極性的推斷。■7.1直傳式細分電路★■7.2平衡補償式細分電路■信號細分電路概念：信號細分電路又稱插補器，是接受電路的手段對周期性的測量信號進行插值，提高儀器辨別力。第7章信號細分與辨向電路■信號的共同特點：信號具有周期性，每變更一個周期就對應著空間上一個固定位移量。例如光柵、磁柵、容柵、感應同步器等輸出的信號。■細分的基本原理：依據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變更規(guī)律，在一個周期內(nèi)進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的辨別力。第7章信號細分與辨向電路■電路細分緣由：測量電路通常接受對信號周期進行計數(shù)的方法實現(xiàn)對位移的測量，若單純對信號的周期進行計數(shù)，則儀器的辨別力就是一個信號周期所對應的位移量。為了提高儀器的辨別力，就須要運用細分電路?！鰹槭裁匆嫦颍河捎谖灰苽鞲衅饕话阍试S在正、反兩個方向移動，在進行計數(shù)和細分電路的設計時往往要綜合考慮辨向的問題。第7章信號細分與辨向電路■細分電路分類：按工作原理，可分為直傳式細分和平衡補償式細分。按所處理的信號可分為調(diào)制信號細分電路和非調(diào)制信號細分電路。Ks=K1K2K3…Km

7.1直傳式細分電路第7章信號細分與辨向電路xi

x1x2

xo

K1

K2

Kmxj

…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Δxj時，則輸出量變?yōu)椋?/p>

KSj——由于xj引起輸出變化的靈敏度，Ksj=Kj+1…Km?！鋈秉c：抗干擾實力較差，其精度低于平衡補償系統(tǒng)。■優(yōu)點：沒有反饋比較過程，電路結構簡潔、響應速度快，有著廣泛的應用。越靠近輸入端環(huán)節(jié)的輸入量增量Δxj所引起輸出的變更就越大，故盡量減小靠近輸入端環(huán)節(jié)的誤差。7.1直傳式細分電路7.1.1四細辨別向電路■輸入信號：相位差90的兩路方波信號。■細分原理：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?！霰嫦蛟恚阂罁?jù)兩路方波相位的相對導前和滯后的關系作為判別依據(jù)。7.1直傳式細分電路*

7.1.1.1單穩(wěn)四細分辨向電路由四個單穩(wěn)觸發(fā)器和二個“與或非門”組成，利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分。DG7&&&&&&&&Uo1DG5Uo2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6ABBBBBAAAA≥1BBBAAAB≥1BBAA7.1.1.1單穩(wěn)四細辨別向電路正向運動(A超前B)

AB

A'B'Uo1Uo2BA反向運動(A滯后B)

AB

A'B'Uo1Uo2BA7.1.1.2HCTL-20XX系列四細辨別向電路CLKCK數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器CHACHB計數(shù)脈沖計數(shù)方向計數(shù)脈沖計數(shù)方向Q0-Q11,15四細分辨向電路12/16位可逆計數(shù)器Q0~Q7Q0~Q11,15D0~D11,15INH12/16位鎖存器B0~B7A0~A7＊SELOE888D0~D7細分脈沖計數(shù)方向級聯(lián)脈沖

U/DCNTCASHCTL-2020具有的功能多路切換器三態(tài)緩沖器SELOE禁止邏輯*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECR■輸入信號：相位差90的兩路正余弦(正交)模擬信號。*

7.1.2電阻鏈分相細分電路7.1直傳式細分電路■工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，由于兩信號的疊加作用，在電阻鏈的接點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周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。

■優(yōu)點：具有良好的動態(tài)特性，應用廣泛；■缺點：細分數(shù)越高所需的元器件數(shù)目也成比例地增加，使電路變得困難，因此電阻鏈細分主要用于細分數(shù)不高的場合。設u1=Esint，u2=Ecost，則7.1.2電阻鏈分相細分電路7.1.2.1原理改變R1R2可調(diào)節(jié)輸出信號uo的幅值Uom和相位，uo經(jīng)電壓比較器整形為方波，再經(jīng)邏輯電路處理即可實現(xiàn)細分。

u1

u2uo

u2

R1R2uou1(超前)36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR=0∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N12kΩ33kΩ24kΩ56kΩ18kΩ五倍頻五倍頻圖7.6電阻鏈五倍頻細分電路7.1.2.2電阻鏈五倍頻細分電路■構成：電阻鏈移相網(wǎng)絡、電壓比較器、邏輯電路(異或門)；■移相網(wǎng)絡：在第一、二象限內(nèi)給出移相角0°18°…162°十路移信任號(正弦信號)；■電壓比較器：將十路移信任號與參考電平比較形成方波；■邏輯電路：異或門將十路方波在3?和4?端獲得兩路相位差90°的五倍頻方波信號，滿足四細分電路對輸入信號要求。若將3?和4?輸出端接入單穩(wěn)四細辨別向電路的A和B，即將圖7-6與圖7-2級聯(lián)就可實現(xiàn)20細分，且能辨向。圖7.7五倍頻(五細分)細分電路的工作波形

Esint12313111312113564810981047.1.2.3五細分專用集成電路sin、cos、-sin三路信號通過電阻鏈移相產(chǎn)生十路移信任號，經(jīng)十路比較器和邏輯電路在O1、O2獲得兩路正交信號。

絕對零信號經(jīng)比較器整形后和兩路方波信號(、)相與，獲得標準零脈沖信號。17814基準0Vsincos-sin絕對零位-5V+5VO1O20位0位20ΩQA74020417814基準0Vsincos-sin絕對零位+5VO1O20位0位20ΩQA740204細分與辨向：由硬件電路完成；

計數(shù)、處理和顯示：由微機完成；

緩沖計數(shù)器：提高系統(tǒng)的響應速度，最高速度為：7.1.3微型計算機細分光柵傳感器

細分辨向緩沖計數(shù)器1放大整形

緩沖計數(shù)器2微機接口7.1.3.1與硬件細分相結合的細分技術將光柵一個柵距W內(nèi)的信號轉化為計時的方法實現(xiàn)細分。7.1.3微型計算機細分7.1.3.2時鐘脈沖細分技術X1X2X0T1T01T02T2位移量：細分脈沖最小周期：——決定分頻數(shù)最大細分數(shù)：

(——綜合誤差)兩路正交輸入信號u1=Asin和u2=Acos，一方面經(jīng)比較

器變?yōu)榉讲?，再?jīng)辨向計數(shù)電路實現(xiàn)信號周期的計數(shù)；另一

方面經(jīng)A/D將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，由接口電路進行微機細分。12345678u1u27.1.3微型計算機細分7.1.3.3量化細分技術辨向電路

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|微機通過推斷兩信號的極性和確定值的大小實現(xiàn)8細分。八個卦限中兩信號的極性和確定值大小如下：7.1.3.3量化細分技術■優(yōu)點：利用計算機來判別卦限和查表實現(xiàn)細分，相對來說削減了計算機運算時間，若干脆算反函數(shù)arctan(u1/u2)或arccot(u2/u1)，要花費更多的時間；通過修改程序和正切表，很簡潔實現(xiàn)高的細分數(shù)?！鋈秉c：這種細分方法由于還須要進行軟件查表，細分速度慢，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。7.1.3微型計算機細分7.1.4只讀存儲器細分改軟件查表為硬件查表只讀存儲器減計數(shù)鎖存器周期計數(shù)器邏輯控制器AsinAcosXY細分鎖存器加減信號發(fā)生器加∩/#D0D6D7D8D9......∩/#0128255XY2551287.1.4只讀存儲器細分兩路正交輸入信號u1=Asin和u2=Acos分別送入兩個

A/D轉換器，將模擬信號轉換為二進制數(shù)字信號X和Y，數(shù)

值在0~255之間變更，其中“128”對應模擬輸入信號的“0”電

平。X和Y與角度對應關系如下，由此可求出。7.2平衡補償式細分■用途：廣泛應用于標尺節(jié)距大的感應同步器、容柵、磁柵、光柵等傳感器的后續(xù)儀器中。■特點：細分數(shù)高、辨別力高、精度高，但速度低(帶負反饋的閉環(huán)系統(tǒng))。xF比較器

Ksxo-+N∫xi

Fxi-xF

前饋回路細分機構，分頻數(shù)=細分數(shù)7.2平衡補償式細分若xi-xF≠0，就用補償量xF去補償xi的變更，使xi-xF=0。系統(tǒng)平衡：xo=xF/F=xi/F閉環(huán)系統(tǒng)靈敏度：KF=xo/xi=1/F可見KF由F確定，而與Ks無關。但要求KsF足夠大，有利于提高跟蹤速度。由于KF是F的倒數(shù)，系統(tǒng)的細分數(shù)就等于分頻數(shù)，因而系統(tǒng)能實現(xiàn)高的細分數(shù)。xF比較器

Ksxo-+N∫xi

Fxi-xF

7.2.1相位跟蹤細分7.2.1.1原理鑒別相位，實現(xiàn)細辨別向。用于鑒相型感應同步器。將兩路同頻率、同幅值的正交電壓：和，分別接在感應同步器的正、余弦繞組(滑尺)上，則在定尺上產(chǎn)生的感應電勢為：

——相位調(diào)制信號，作為相位跟蹤細分的輸入信號。當被測量x發(fā)生變更時，相移角j隨之變更。uj經(jīng)放大整形為方波后送入鑒相電路，使j與相對相位基準分頻器輸出的補償信號d進行比較。當偏差信號j-d超過門檻時，移相脈沖門打開，輸出移相脈沖。此脈沖變更d，使d跟蹤j，當d=j時系統(tǒng)平衡，關閉移相脈沖門，停發(fā)移相脈沖。此時顯示電路的示值(移相脈沖數(shù))代表被測位移。鑒相電路移相脈沖門

相對相位基準分頻器顯示電路放大整形Umsin(t+j)dj-d移相脈沖7.2.1.1相位跟蹤細分原理鑒相電路要做三方面的工作：（1）確定偏差信號j-d是否超過門檻；（2）確定輸出Ux與偏差信號j-d相對應的方波脈寬信號；（3）確定j與d的導前、滯后關系，以確定滑尺移動方向。7.2.1相位跟蹤細分7.2.1.2鑒相電路UX&&&&&Uc

Uj

UdDG1DG2DG3DG4DG5FXFXUj

Uc

UdUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxFx=1時表示正向運動，Uj超前Ud(j導前d)；Fx=0時表示反向運動，Uj滯后Ud(j滯后d)。DG3輸出Ux的寬度代表Uj與Ud的相位差，即Ux脈寬∝j-d。此鑒相電路沒有門檻，會有在平衡點(j=d)旁邊振擺跟蹤的問題。7.2.1.2鑒相電路兩個RC延時電路起門檻作用，調(diào)整RC可變更門檻的大小，消退平衡點(j=d)旁邊振擺跟蹤的問題。7.2.1.2鑒相電路UX&&&&&Uc

Uj

UdDG1DG2DG3DG4DG5FXFXUj

Uc

UdUj

ˊˊUd7.2.1.3相對相位基準和移相脈沖門

7.2.1相位跟蹤細分n/4分頻器二分頻器

Uxn/2分頻器相對相位基準移相脈沖門

Uc

Ms去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&

f0

Fx

Q■作用：（1）產(chǎn)生相位跟蹤信號d；（2）細分(細分數(shù)=分頻數(shù))。7.2.1.3相對相位基準和移相脈沖門

j-d=0時，Ux=“0”，Ux=“1”。DG2=“1”，打開DG1(DG1=“0”)，DF工作，分頻后輸出Ud無移相(d=0)；DG3關斷(DG3=“1”)，無脈沖進入顯示電路(Ms=0)；

當被測量x變化，j-d≠0時，Ux=“1”，Ux=“0”。DF停止工作，停在Q=0的狀態(tài)。若Uj滯后Ud，則Fx=“0”，關斷DG2(DG2=“1”)

，減脈沖使d延后；若Uj超前Ud，則Fx=“1”，打開DG2(DG2=“0”)

，加脈沖使d前移(圖7-20)。

減掉或增加的移相脈沖∝Ux的脈寬∝j-d∝x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)相位角的變更不超過一個細分脈沖當量，即7.2.1相位跟蹤細分7.2.1.4測量速度(m/min)靜態(tài)測量時(指移動部件停止運動后才讀數(shù))，也要限制測量速度。

(m/min)7.2.2幅值跟蹤細分7.2.2.1原理鑒別幅值，實現(xiàn)細辨別向。用于鑒幅型感應同步器。感應同步器放大濾波電路e鑒幅辨向電路控制電路jd函數(shù)發(fā)生器切換計數(shù)器顯示電路函數(shù)發(fā)生器供應兩路同頻率、同相位、不同幅值的調(diào)幅電壓：us=(Umsind)cosωt和uc=(Umcosd)cosωt，接在感應同步器的滑尺上，則在定尺上產(chǎn)生的感應電勢為：7.2.2幅值跟蹤細分原理當j=d時，e=0，系統(tǒng)平衡(感應同步器為比較器)；當j≠d時，e≠0，放大濾波后若門檻，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，切換計數(shù)器根據(jù)辨向結果進行加法或減法計數(shù)，函數(shù)發(fā)生器再根據(jù)計數(shù)脈沖改變d，使d跟蹤j，直到j=d為止系統(tǒng)又平衡。此時顯示電路的示值(脈沖數(shù))代表被測位移，即

顯示脈沖∝

∝sin(j-d)∝x感應同步器放大濾波電路e鑒幅辨向電路控制電路jd函數(shù)發(fā)生器切換計數(shù)器顯示電路7.2.2幅值跟蹤細分7.2.2.2鑒幅器■作用：判斷j-d的大小，

∝sin(j-d)∝x。鑒幅器一般有粗、精兩個門檻。測量開始時，測量速度高，產(chǎn)生的j-d較大，感應電勢e也較大，系統(tǒng)以大的步距d跟蹤，使d迅速趕上j。——提高速度

接近平衡狀態(tài)時，感應電勢e較小，當精門檻<e<粗門檻時，系統(tǒng)以小的步距d跟蹤，直到d=j系統(tǒng)平衡為止?！岣呔?.2.2幅值跟蹤細分7.2.2.3函數(shù)電壓發(fā)生器■作用：(1)細分；(2)為感應同步器滑尺供應激勵電壓。

若采用變形激勵，則360/2=180，，

，得(A、B——0~9整數(shù))。函數(shù)發(fā)生器一般采用多抽頭變壓器，抽頭不同輸出電壓的幅值就不同。如200細分，則360/200=1.8，即j每變1.8，計數(shù)器計一個調(diào)幅脈沖，d也隨之變化1.8，變壓器要有200個抽頭，結構復雜。7.2.2.3函數(shù)電壓發(fā)生器T1——正弦、余弦變壓器，產(chǎn)生和；T2T3——正切變壓器，產(chǎn)生。~10kHzT3T20線T1A5A0OCS0123456789012345678912034567891203456789DE7.2.2.3函數(shù)電壓發(fā)生器三個變壓器通過四組開關選擇，輸出相對溝通零點電壓：由切換計數(shù)器限制開關位置，得到不同的d值，從而實現(xiàn)變更輸出電壓的幅值，作為感應同步器的激勵電壓。

例：d=

3.6，A=0(T1的兩個“0”號開關閉合)，B=2(T2T3的“2”號開關閉合)，即7.2.2幅值跟蹤細分7.2.2.4辨向電路■作用：通過推斷前后節(jié)距實現(xiàn)辨向。感應同步器的滑尺接受變形激勵電壓，其前后節(jié)距的波形相同(圖7-23)，定尺上產(chǎn)生的感應電勢為：滑尺正向運動時，前節(jié)距sin(j-d)>0，后節(jié)距sin(j-d)<0

e>0，F(xiàn)x=“1”滑尺反向運動時，前節(jié)距sin(j-d)<0，后節(jié)距sin(j-d)>0

e<0，F(xiàn)x=“0”7.2.2.4辨向電路要實現(xiàn)辨向，就要推斷前后節(jié)距。前后節(jié)距的推斷，利用切換計數(shù)器的正、反向溢出脈沖進行。設感應同步器細分數(shù)為200，切換計數(shù)器利用100進制，則每當計數(shù)器由99→0時，發(fā)出正向溢出脈沖M+；而當計數(shù)器由0→99時，發(fā)出反向溢出脈沖M-。M+和M-送入辨向電路實現(xiàn)辨向。Wx——感應電勢e經(jīng)倒相整形后的信號；Cy——采樣脈沖(利用為最大時發(fā)出)。CyDF2M+DG2DG1=1SRDC&

Q1M-WxSRDCDF1

Q2FxD2D17.2.2.4辨向電路D1=M+M-D2=Q1Wx+Q1Wx

觸發(fā)器DF1受M+和M-控制，滑尺每移過W/2，輸出Q1變化一次。Q1=“1”表示前節(jié)距，Q1=“0”表示后節(jié)距。前節(jié)距Q1=“1”，D2=Wx；后節(jié)距Q1=“0”，D2=Wx。Fx=“1”正向運動，F(xiàn)x=“0”反向運動。CyDF2M+DG2DG1=1SRDC&

Q1M-WxSRDCDF1

Q2FxD2D17.2.2.4辨向電路

t

t

t

t

t

tooooooeWxQ1D2CyFx前節(jié)距后節(jié)距正向運動波形

t

t

t

t

t

tooooooeWxQ1D2CyFx前節(jié)距后節(jié)距反向運動波形7.2.2幅值跟蹤細分7.2.2.5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(T=1/f)內(nèi)的補償次數(shù)n和補償步距Δd的大?。?m/min)7.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分7.2.3.1調(diào)寬脈沖波的波形分析

d-doUmusoUmuca)非對稱波滑尺激磁電壓us和uc基波重量為：定尺上的總感應電勢為：——調(diào)幅波調(diào)整d可變更脈沖寬度，感應電勢e的幅值發(fā)生變更。7.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分7.2.3.1調(diào)寬脈沖波的波形分析

定尺上的總感應電勢為：——調(diào)幅波(幅值提高2倍)b)對稱波d-doUmusoUmuc調(diào)整d感應電勢e的幅值發(fā)生變更，d跟蹤j實現(xiàn)調(diào)幅。滑尺激磁電壓us和uc基波重量為：7.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細分感應同步器放大濾波電路e鑒幅辨向電路控制電路jd數(shù)字函數(shù)發(fā)生器顯示電路計數(shù)脈沖Ms移相脈沖Md當j=d時，e=0，系統(tǒng)平衡；當j≠d時，e≠0，放大濾波后若門檻，鑒幅辨向電路就發(fā)出控制脈沖和方向信號，使控制電路發(fā)出移相脈沖Md和計數(shù)脈沖Ms(頻率受e的大小控制)，移相脈沖Md改變數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出d，實現(xiàn)d跟蹤j，直到j=d為止。同時顯示電路根據(jù)計數(shù)脈沖顯示被測位移x的大小。

Ms∝

∝sin(j-d)∝x鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器n分頻器fifofo/nUc7.2.4頻率跟蹤細分——鎖相倍頻細分■作用：對光柵等傳感器輸出信號進行n倍頻，實現(xiàn)n細分。鑒相器：將分頻后信號fo/n與輸入信號fi進行相位比較，輸出一個誤差信號；環(huán)路濾波器：抑制誤差電壓中的高頻成分和噪聲，輸出Uc；壓控振蕩器：振蕩頻率fo受Uc限制，使fo趨近于nfi，當fo=nfi時，環(huán)路平衡而鎖定，實現(xiàn)fo=nfi的n倍頻；n分頻器：反饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)細分，將fo進行n分頻。7.2.4頻率跟蹤細分——鎖相倍頻細分集成CC4046：由兩個