測控電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路8.1直傳式細(xì)分電路8.2平衡補(bǔ)償式細(xì)分本章知識(shí)點(diǎn)□四細(xì)分辨向電路和電阻鏈五細(xì)分辨向電路

口微型計(jì)算機(jī)細(xì)分電路□相位跟蹤細(xì)分和鎖相倍頻細(xì)分口相位跟蹤細(xì)分和幅值跟蹤細(xì)分

信號(hào)細(xì)分與辯向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路□為什么要細(xì)分?提高分辨力□信號(hào)細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路手段對周期性的增量碼信號(hào)進(jìn)行插值

提高儀器分辨力的一種方法。細(xì)分的基本原理是：根據(jù)周期性測量信號(hào)的波形、幅值或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插補(bǔ)，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。高分辨力是高精度的必要條件。》信號(hào)細(xì)分與辯向電路》

信號(hào)細(xì)分與辨向電路□激光干涉儀信號(hào)細(xì)分與辯向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路□光柵測量裝置主光柵指示光柵W=20μm

受工藝和造價(jià)等限制信號(hào)細(xì)分與辯向電路亮

暗

亮》滑尺需要讀出一個(gè)周期內(nèi)的移動(dòng)量：細(xì)分》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路口感應(yīng)同步器受工藝和允許電流限制W=2mm定尺W信號(hào)細(xì)分與辨向電路□什么是辨向?辨向：辨別機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方向AB

C

D

E由A

前進(jìn)至C

與由A

后退至B

信號(hào)變化情況相同由E前進(jìn)與由D

后退信號(hào)變化情況相同難以根據(jù)單一信號(hào)辨向》信號(hào)細(xì)分與辯向電路信號(hào)細(xì)分與辨向電路口為了辨向常需要兩路信號(hào)—后退A

在B

前面信號(hào)細(xì)分與辨向電路v無法根據(jù)兩路相位差0°或180°的信號(hào)辨向，

相位差90°的兩路信號(hào)最可靠?！?/p>

信號(hào)細(xì)分與辯向電路8.1直傳式細(xì)分電路8.1.1四細(xì)分辨向電路8.1.2電阻鏈細(xì)分8.1.3微型計(jì)算機(jī)細(xì)分8.1直傳式細(xì)分電路□直傳式細(xì)分直接利用位移信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，稱其為直傳式是相對于跟蹤式(平

衡補(bǔ)償式)而言的，也因?yàn)樗梢杂扇舾杉?xì)分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成△x1系統(tǒng)總的靈敏度K為各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度K;(j=1~m)之積，如果個(gè)別環(huán)節(jié)靈敏度K;發(fā)生變化，它勢必引起系統(tǒng)總的靈敏度的變化?！沸盘?hào)細(xì)分與辯向電路X2KmXiK?K?XoX18.1.1

四細(xì)分辨向電路□四細(xì)分辨向電路為最常用的細(xì)分辨向電路，輸入信號(hào)為具有一定相位差(通常為90°)的兩路方波信號(hào)?？诩?xì)分的原理基于兩路方波在一個(gè)周期內(nèi)具有兩個(gè)上升沿和兩個(gè)下降沿，通過對邊沿的處理實(shí)現(xiàn)四細(xì)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)。信號(hào)細(xì)分與辯向電路》1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路口單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路：利用單穩(wěn)提取兩路方波信號(hào)的邊沿實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。

信號(hào)細(xì)分與辯向電路&

≥1&Uol&&DGs&

≥1&Uo2&&DG10DG4DG8&C?&C?

DG9R?R?DG2R?R4DG7BAB'A'4BlB'

BABDG3&Ci&DG1DG6A'AB'B1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路口細(xì)分：利用兩路相位差90°的信號(hào)的4個(gè)跳變沿，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路在一個(gè)周期內(nèi)輸出4個(gè)脈沖。DG?&RC

信號(hào)細(xì)分與辯向電路DG1單穩(wěn)1AA'AB1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路口辨向：如果A'出現(xiàn)在B為負(fù)的半周期，則A滯后于B,正向運(yùn)動(dòng)；如果A’出現(xiàn)在B為正的半周期，則A超前于B,反向運(yùn)動(dòng)。A'

A'A

ABB前進(jìn)

后退

信號(hào)細(xì)分與辯向電路1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路正

向：A'出現(xiàn)在B為負(fù)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(fù)的半周期AB前進(jìn)反

向：B'出現(xiàn)在A為負(fù)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(fù)的半周期AB后退》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路UoiUo?》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路》

1、單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路ABA'B'A'B'U?1U?2ABA'B'U?1]

NnTI信號(hào)細(xì)分與辯向電路HCTL-2020

具有的功能了CLKo—一OCKOCNTDECR計(jì)數(shù)方向PU/D級聯(lián)脈沖OCNTcAS四細(xì)分辨向電路CHAO計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向一Do~D,D,15CH

BO一OESELO

一OE○—禁止邏輯2、HCTL-20XX

系列四細(xì)分辨向電路□HCTL-20XX系列12/16位

可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向12/16位鎖存器Qo-QQO-Qi.Q1s_信號(hào)細(xì)分與辯向電路多路切換器

三態(tài)緩沖器*HCTL-2000

中

Ao~A?接地Bo~B?Ao~A7施密特

觸發(fā)器數(shù)字

濾波器細(xì)分脈沖Q~Qin,QisODo~D?INHSEL88.1.2電阻鏈細(xì)分□為了實(shí)現(xiàn)更大的細(xì)分?jǐn)?shù)，需要生成具有不同相位的多個(gè)信號(hào)。將正余弦信號(hào)

施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的節(jié)點(diǎn)上可得到相位各不同的電信號(hào)。這些信

號(hào)經(jīng)整形，脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)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

。》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路u?=Ecos

wtR?+R?R?φ=arctan(R?/R?)u

。=uom

sin(wt+φ)u?=Esin

wt

b)相量圖uφa)

原理圖ER?R?+R?8.1.2電阻鏈細(xì)分□電阻鏈五倍頻細(xì)分電路=1山=1還需要解決辨向問題，》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路采取形成以72°為周期的兩路方波信號(hào)的辦法=141o?°180°8.1.2電阻鏈細(xì)分□電阻鏈五倍頻細(xì)分電路通過一定邏輯組合，獲得五倍頻正余弦信號(hào)，送入四細(xì)分辨

向電路，實(shí)現(xiàn)20細(xì)分辨向

信號(hào)細(xì)分與辯向電路Esin@t36°108°21④20°1312④1372°144012'12'④13'11'1④2’

3'18°162°5④690°8④954°126°8'9'5'6'12'13'1'④2'11'3'1113'12④1381010′113612’13'8.1.3微型計(jì)算機(jī)細(xì)分Asinθo一Acosθ。一周期內(nèi)絕對碼信號(hào)

信號(hào)細(xì)分與辯向電路n/#∩/#

周期內(nèi)細(xì)分

數(shù)字計(jì)算機(jī)a)

電路原理圖

顯示電路過零比較器了辨向電路整周期計(jì)數(shù)可逆計(jì)數(shù)器》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路u?的極性

u?的極性十

十十

十十十十lu?

1、

|u?I

大

小u?I<lu?Iu?|>lu?

lu?|>lu?

lu?I<lu?Iu?I<lu?lu?|>lu?

lu?|>lu?Iu?k<lu?

l1、4、5、8卦限2、3、6、7卦限8.1.3微型計(jì)算機(jī)細(xì)分卦限12345678》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路28為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，采

用軟件查表，細(xì)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-k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+k8.1.3微型計(jì)算機(jī)細(xì)分200細(xì)分8.2平衡補(bǔ)償式細(xì)分8.2.1相位跟蹤細(xì)分8.2.2幅值跟蹤細(xì)分8.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分8.2.4頻率跟蹤細(xì)分鎖相倍頻細(xì)分8.2

平衡補(bǔ)償式細(xì)分口平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路是一種帶負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)平衡時(shí)x;-xp=0》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度F?KNx。比較器

xx,8.2.1

相位跟蹤細(xì)分口相位跟蹤細(xì)分屬平衡式細(xì)分，它的輸入信號(hào)一般為相位調(diào)制信號(hào)u;=umsin(wt+θ)

信號(hào)細(xì)分與辯向電路θa相對相位基準(zhǔn)

分頻器0-θa移位脈沖門umsin(wt+θ)o-移相脈沖放大

整形顯示電路鑒相電路問題：沒有遲滯，會(huì)來回振蕩FxFx》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路(1)根據(jù)θ-θa輸出對應(yīng)的脈寬信號(hào)Ux;(2)根據(jù)θ,與θa的導(dǎo)前、滯后，確定滑

尺移動(dòng)方向，輸出F或F、U;位移信號(hào)Ua為相位補(bǔ)償信號(hào)U是為辨向參考信號(hào)它是Ua的倍頻信號(hào)1、鑒相電路&DG?&DG5UjcUa(

U.UaDG1&DG?&DG?UxFxUxFxUx&1、鑒相電路引入遲滯，

只有θ-

θ信號(hào)

延續(xù)一定時(shí)段才有輸出利用U;和Ua的延時(shí)信號(hào)

U;'、Ua,

只有當(dāng)U;與Ua

的相位差超過一定時(shí)限才有脈寬信號(hào)U

輸出U&Da&DG?Ud

信號(hào)細(xì)分與辯向電路UjU;UaUcDG2UxLFxUjUaUaUcDaIDG2FxR[RC:&DG?&DG5FxF&DG?2、相對相位基準(zhǔn)和移相脈沖門a)時(shí)鐘脈沖b)

正常分頻e)加脈沖f)

使

θa前移c)減脈沖d)

使θ延后信號(hào)細(xì)分與辯向電路》加脈沖減脈沖U.

去鑒相器M去數(shù)顯電路F=0:DG?

關(guān)閉，減脈沖F=1:DG?

開啟，脈沖數(shù)加倍U=0:D

正常二分頻U=1:D不工作，輸出1Ua2、相對相位基準(zhǔn)和移相脈沖門foo

RC

DFDG1&&Fx(Ux○-

信號(hào)細(xì)分與辯向電路&DG移相脈沖門n/4

分頻器相對相位基準(zhǔn)n/2分頻器二分頻器3、測量速度□由于在一個(gè)載波周期僅有一次比相，動(dòng)態(tài)測量時(shí)(指在部件移動(dòng)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(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，就要

求在一個(gè)載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個(gè)細(xì)分脈沖當(dāng)量，即口靜態(tài)測量時(shí)(指移動(dòng)部件停止運(yùn)動(dòng)后才讀數(shù)),盡管在傳感器位移時(shí)會(huì)發(fā)生超過一個(gè)脈沖當(dāng)量的誤差，但是，一旦傳感器在測量位置停下，經(jīng)過一段時(shí)間，就能讀得合乎精度要求的測量數(shù)據(jù)?！?/p>

信號(hào)細(xì)分與辯向電路U,超前U;△θ沒跟蹤UaUx△012跟蹤后Ua停止進(jìn)脈沖，仍落后△θ/2加倍進(jìn)脈沖Ux跟蹤后Ua無脈沖進(jìn)入，等待與U?

同

時(shí)

翻

轉(zhuǎn)3、測量速度》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路Uj沒跟蹤UaU滯后△θ》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路8.2.2

幅值跟蹤細(xì)分口原理W=2mmLuc=UmcosθWug=Umsinθ

sin

wt定尺sin

wt正弦繞組

余弦繞組=k

、umsin(θ-θa)coswte

放大濾波電路調(diào)幅脈沖函數(shù)發(fā)生器e=k

、umsin(θ-θa)coswte

超出門檻電平就改變

θa,使減小，θ跟蹤θ;的變化感應(yīng)同步器供電電

壓的變化靠函數(shù)變壓器實(shí)現(xiàn)》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路1、原理切換計(jì)數(shù)器感應(yīng)同步器控制電路顯示電路向電路鑒幅辨2、鑒幅器口偏差電壓從零開始，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(gè)門檻，稱為粗、精門檻，設(shè)置兩個(gè)門檻的目的是在保證細(xì)分分辨力的基礎(chǔ)上提高測量速度?？跍y量開始時(shí)，允許較高的測量速度，速度大時(shí)產(chǎn)生的θ-0大，感應(yīng)電動(dòng)勢e也大，這時(shí)系統(tǒng)以大步距△θ?跟蹤，使θ迅速趕上0。接近平衡位置時(shí)，e較

小。當(dāng)e小于粗門檻但大于精門檻，系統(tǒng)則以小步距△O,跟蹤，直到0=0,,系

統(tǒng)平衡為止?！?/p>

信號(hào)細(xì)分與辯向電路□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umsinθ或umcosθa輸出電壓幅度?！?/p>

信號(hào)細(xì)分與辯向電路3、函數(shù)電壓發(fā)生器前半周期e=-k

、umsin(θ-θa)coswt后半周期e=kumsin(θ-θa)cos

wt□為了實(shí)現(xiàn)n細(xì)分，變壓器需要n個(gè)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(hào)e變號(hào)，需要在辨向中注意?！?/p>

信號(hào)細(xì)分與辯向電路3、

函數(shù)電壓發(fā)生器a)

正弦信號(hào)us

ue180

360c)

變形正弦b)余弦信號(hào)d)

變形余弦04(C)Uc3、

函數(shù)電壓發(fā)生器□為進(jìn)一步減少抽頭，180°的相位角先按α=18°等分為10份，再把18°按β=1.8°等分為10份，則可寫出θa=Aα+Bβ。A、B為0～9的整數(shù)?？蓪懗鰏inθa=sin(Aα+Bβ)=cosBβ(sinAα+cosAatanB?)cosθa=cos(Aα+Bβ)=cos

Bβ(cos

Aα-sin

Aa

tan

Bφ)口因?yàn)锽β=(0～9)×1.8°=0°~16.2°,cosBβ=1～0.963。

正余弦勵(lì)磁電壓同時(shí)增大不影響平衡位置，故可近似取sinθa=sin

Aα+cos

Aa

tan

Bφcosθa=cosAα-sinAatan

Bφ》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路~10kHzN?,=N?cos(i×18)

正余弦變壓器》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路正切變壓器N2;=N'tan(i×1.8)3、函數(shù)電壓發(fā)生器N?;=N?sin(i×18)uso=Usp+Upo=Umsinwt

cosAatan

Bβ+Umsinwt

sin

Aa=Umsinθ

sin

wtUco=UCE+UEo=-UmsinwtsinAatanBβ+UmsinwtcosAa=Umcosθsinwt》信號(hào)細(xì)分與辯向電路3、函數(shù)電壓發(fā)生器Cy》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路前后節(jié)距利用切換計(jì)數(shù)器的正反溢出脈沖辨別前節(jié)距，Q?=1,

后節(jié)距，Q?=0,4、辨向電路e經(jīng)倒相整形后的信號(hào)coswt為最大時(shí)發(fā)出的采樣脈沖D?=Q?④WD?=WD?=W4、辨向電路口滑尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=1;反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=0a)

正向運(yùn)動(dòng)波形

b)反向運(yùn)動(dòng)波形》信號(hào)細(xì)分與辯向電路5、測量速度口動(dòng)態(tài)測量時(shí)，傳感器的移動(dòng)速度取決于系統(tǒng)在一個(gè)載波周期內(nèi)作幾次補(bǔ)償，以及補(bǔ)償步距△θ的大小。若載波頻率f=10kHz,每周期補(bǔ)償一次，△θ相當(dāng)一個(gè)脈沖當(dāng)量0.01mm,則移動(dòng)速度v=0.01mm10kHz=6m/min。若把△θ增大到10倍，則移動(dòng)速度可增大到60m/min。這就是采用粗、精兩個(gè)門檻的原因。當(dāng)傳感器移動(dòng)速度不高時(shí)，誤差信號(hào)低于粗門檻時(shí)，函數(shù)變壓器以每步1.8°的速度補(bǔ)償，傳感器具有較高的分辨力。當(dāng)移動(dòng)速度較高時(shí)，誤差信號(hào)將超過粗門檻，這時(shí)函數(shù)變壓器則直接以每步18°的速度補(bǔ)償，以保證不丟

失整個(gè)節(jié)距。當(dāng)然，作為代價(jià)，測量的分辨力也相應(yīng)降低10倍。總之，本系統(tǒng)比相位跟蹤系統(tǒng)允許更高的移動(dòng)速度?！沸盘?hào)細(xì)分與辯向電路8.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分口調(diào)寬脈沖波的波形分析》a)非對稱波

b)

對稱波信號(hào)細(xì)分與辯向電路基波分量：

us?=(2Um/π)sinθacos

wtuc?=(2Um/π)cosθ

cos

wtUs?、uc?在定尺上感應(yīng)的電動(dòng)勢信號(hào)細(xì)分與辯向電路1、調(diào)寬脈沖波的波形分析口非對稱波1、調(diào)寬脈沖波的波形分析·n為偶數(shù)時(shí)：

u?=0信號(hào)細(xì)分與辯向電路·n

為奇數(shù)數(shù)：口對稱波e

放大濾波電路移相脈沖Ma數(shù)字函數(shù)發(fā)生器口

對

稱

波·

基

波

分

量

us?=(4Um/π)sinθacoswtuc=(4Um/π)cosθacos

wt》

信號(hào)細(xì)分與辯向電路1、調(diào)寬脈沖波的波形分析Us?、uc?

在定

尺

上

感

應(yīng)的電

動(dòng)

勢感應(yīng)

同步器θd鑒幅辨

向電路計(jì)數(shù)脈沖M控制電路顯示電路θje

放大濾波電路數(shù)字函數(shù)L發(fā)生器鑒幅辨向電路移相脈沖Ma顯示電路控制電路計(jì)數(shù)脈沖Ms感應(yīng)同步器θa2、原理信號(hào)細(xì)分與辯向電路θj3、

數(shù)