細(xì)分與辮向電路

1、 第五章第五章 細(xì)分與辮向電路細(xì)分與辮向電路20132013年年5 5月月內(nèi)容內(nèi)容一、細(xì)分電路的作用、類型和指標(biāo)一、細(xì)分電路的作用、類型和指標(biāo)二、直傳式細(xì)分電路二、直傳式細(xì)分電路三、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路三、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路一、細(xì)分電路的作用、類型和指標(biāo)一、細(xì)分電路的作用、類型和指標(biāo) 作用：提高儀器的分辨力作用：提高儀器的分辨力u根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個(gè)信號(hào)周期的更高的分辨力。更高的分辨力。u由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，

2、在進(jìn)由于位移傳感器一般允許在正、反兩個(gè)方向移動(dòng)，在進(jìn)行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向的問(wèn)題。行計(jì)數(shù)和細(xì)分電路的設(shè)計(jì)時(shí)往往要綜合考慮辨向的問(wèn)題。 類型：類型：l直傳式細(xì)分電路、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路l調(diào)制信號(hào)細(xì)分、非調(diào)制信號(hào)細(xì)分調(diào)制信號(hào)細(xì)分、非調(diào)制信號(hào)細(xì)分 指標(biāo)：指標(biāo)：l倍數(shù)倍數(shù)l精度精度l速度速度光電增量編碼器原理光電增量編碼器原理 轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透光和不透光的區(qū)域，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透光和不透光的區(qū)域，每個(gè)碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙每轉(zhuǎn)過(guò)一周就將有多少個(gè)相差少縫隙每

3、轉(zhuǎn)過(guò)一周就將有多少個(gè)相差9090的兩相（的兩相（A A、B B兩路）脈沖脈沖和一個(gè)零位兩路）脈沖脈沖和一個(gè)零位( (C C相相) )脈沖輸出。增量編碼脈沖輸出。增量編碼器的精度和分辨率主要取決于碼盤(pán)本身的精度。器的精度和分辨率主要取決于碼盤(pán)本身的精度。二、直傳式細(xì)分電路二、直傳式細(xì)分電路1 1、直傳式細(xì)分電路的原理及特點(diǎn)、直傳式細(xì)分電路的原理及特點(diǎn)2 2、位置直接四倍頻細(xì)分、位置直接四倍頻細(xì)分 3 3、電阻鏈分相細(xì)分、電阻鏈分相細(xì)分4 4、計(jì)算機(jī)細(xì)分、計(jì)算機(jī)細(xì)分5 5、只讀存儲(chǔ)器細(xì)分、只讀存儲(chǔ)器細(xì)分1、直傳式細(xì)分電路的原理及特點(diǎn)、直傳式細(xì)分電路的原理及特點(diǎn) 精度低精度低 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

4、單、速度快 倍數(shù)較低倍數(shù)較低SIN 、COS或或90度方波度方波脈沖、模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)脈沖、模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)波形變換、比較器、波形變換、比較器、AD、數(shù)字電路數(shù)字電路xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x2l以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；l若要讀出位移為若要讀出位移為0.10.1m m，要求每毫米到線要求每毫米到線1 1萬(wàn)條萬(wàn)條l直接四倍頻細(xì)分法。直接四倍頻細(xì)分法。 2、位置直接四倍頻細(xì)分、位置直接四倍頻細(xì)分 細(xì)分細(xì)分辨向辨向位置直接細(xì)分特點(diǎn)位置直接細(xì)分特點(diǎn) 由于受空間位置的限制，光電傳感器的數(shù)目不由于受空間位置的限制，

5、光電傳感器的數(shù)目不能太多，位置直接細(xì)分的細(xì)分倍數(shù)較小。能太多，位置直接細(xì)分的細(xì)分倍數(shù)較小。 通過(guò)位置直接細(xì)分可以得到通過(guò)位置直接細(xì)分可以得到4 4路相差路相差9090O O的方波的方波信號(hào)，可以進(jìn)一步用于其它細(xì)分電路或辨向電信號(hào)，可以進(jìn)一步用于其它細(xì)分電路或辨向電路。路。 單穩(wěn)四細(xì)分辨向原理單穩(wěn)四細(xì)分辨向原理1反向反向正向正向D觸發(fā)器辨向觸發(fā)器辨向 QA740210QA740210是奎克半導(dǎo)體是奎克半導(dǎo)體( (北京北京) )有限公司生產(chǎn)的微分型有限公司生產(chǎn)的微分型四倍頻專用集成電路。四倍頻專用集成電路。QA740210QA740210可將兩路正交的方波可將兩路正交的方波信號(hào)進(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路

6、加、減計(jì)數(shù)信號(hào)，可送加信號(hào)進(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計(jì)數(shù)信號(hào)，可送加減計(jì)數(shù)輸入雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)。減計(jì)數(shù)輸入雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)。 集成四細(xì)分辨向電路集成四細(xì)分辨向電路- QA740210 - QA740210 集成四細(xì)分辨向電路集成四細(xì)分辨向電路- HP:HCTL-20XX- HP:HCTL-20XX系列系列CLKCK 數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器CH ACH B計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方向Q0-Q11,15 四細(xì)分辨向電路 12/16位可逆計(jì)數(shù)器Q0-Q7Q0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位 鎖存器B0-B7A0-A7 SEL OE888D0-D7細(xì)分

7、脈沖計(jì)數(shù)方向級(jí)聯(lián)脈沖 U/D CNTCASHCTL-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CNTDECRCPLDCPLD和和FPGAFPGA實(shí)現(xiàn)細(xì)分和辨向功能實(shí)現(xiàn)細(xì)分和辨向功能 3 3、電阻鏈分相細(xì)分、電阻鏈分相細(xì)分 模擬信號(hào)的細(xì)分模擬信號(hào)的細(xì)分12sin,cosuEt uEt2101212sincosR EtR EtuRRRR22121122,arctan()omE RRRURRRsin()oomuUtsinEtsinEtcosEtcosEtcosEtsinEtsinEtcosEt u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER21

8、2RRER電阻鏈電阻鏈5 5倍頻細(xì)分電路倍頻細(xì)分電路異或波形異或波形電阻鏈細(xì)分特點(diǎn)電阻鏈細(xì)分特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):具有良好的動(dòng)態(tài)特性,應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn):細(xì)分?jǐn)?shù)越高所需的元器件數(shù)目也成比例地增加，使電路變得復(fù)雜，因此電阻鏈細(xì)分主要用于細(xì)分?jǐn)?shù)不高的場(chǎng)合。4 4、計(jì)算機(jī)細(xì)分、計(jì)算機(jī)細(xì)分辨向電路可逆計(jì)數(shù)器數(shù)字計(jì)算機(jī)Acos 過(guò)零比較器/#/# 顯示電路Asin1 2 3 4 5 6 7 8u1u21、4、5、8卦限 12sintancosAtutAtu2、3、6、7卦限 21coscotsinAtutAtu判別卦限判別卦限查表查表整周期的計(jì)數(shù) 計(jì)算機(jī)細(xì)分特點(diǎn)計(jì)算機(jī)細(xì)分特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：利用判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，優(yōu)點(diǎn)：

9、利用判別卦限和查表實(shí)現(xiàn)細(xì)分，通過(guò)修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高通過(guò)修改程序和正切表，很容易實(shí)現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)的細(xì)分?jǐn)?shù),但受信號(hào)質(zhì)量影響。但受信號(hào)質(zhì)量影響。 缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟缺點(diǎn)：這種細(xì)分方法由于還需要進(jìn)行軟件查表，細(xì)分速度慢，主要用于輸入信件查表，細(xì)分速度慢，主要用于輸入信號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。號(hào)頻率不高或靜態(tài)測(cè)量中。三、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路三、平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路1 1、平衡補(bǔ)償式細(xì)分原理、特點(diǎn)、平衡補(bǔ)償式細(xì)分原理、特點(diǎn)2 2、感應(yīng)同步器介紹、感應(yīng)同步器介紹3 3、相位跟蹤細(xì)分電路、相位跟蹤細(xì)分電路4 4、頻率跟蹤細(xì)分電路、頻率跟蹤細(xì)分電路-鎖相倍頻細(xì)分電路鎖相倍頻細(xì)分電路1 1

10、、平衡補(bǔ)償式細(xì)分原理、特點(diǎn)、平衡補(bǔ)償式細(xì)分原理、特點(diǎn) 帶負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)帶負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng) 系統(tǒng)平衡時(shí)：系統(tǒng)平衡時(shí)：X X0 0=X=XF F/F K/F KF F=1/F=1/F 響應(yīng)速度低、精度高穩(wěn)定、細(xì)分?jǐn)?shù)大響應(yīng)速度低、精度高穩(wěn)定、細(xì)分?jǐn)?shù)大長(zhǎng)度、角度、長(zhǎng)度、角度、幅值、相位、幅值、相位、頻率頻率脈沖數(shù)脈沖數(shù) xi- xF xF比較器F Ksxo-+Nxi 比較器門(mén)檻（分辨力）決定系統(tǒng)的分辨力比較器門(mén)檻（分辨力）決定系統(tǒng)的分辨力n 感應(yīng)同步器基本原理是利用電磁耦合效應(yīng)，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的位置檢測(cè)裝置。n 感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)的不同，可分為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器（圓感應(yīng)同步器）和直線式

11、感應(yīng)同步器。圓感應(yīng)同步器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)角位移，用于精密轉(zhuǎn)臺(tái)，各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)；直線式感應(yīng)同步器用來(lái)檢測(cè)直線位移，用于大型和精密機(jī)床的自動(dòng)定位，位移數(shù)字顯示和數(shù)控系統(tǒng)等。2 2、感應(yīng)同步器介紹、感應(yīng)同步器介紹n 感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙（0.250.05mm）。n 定尺表面制有連續(xù)平面繞組，在滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組，這兩段繞組和定尺上繞組的節(jié)距相等，且在空間錯(cuò)開(kāi)1/4的節(jié)距（90O相角）。n 如果在定尺和滑尺其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合效應(yīng)，在另一種繞組上就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且隨定尺與滑尺的相對(duì)位置不同

12、而變化。通過(guò)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)處理，便可測(cè)量出直線位移量.n 感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。廣泛地應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)床、儀器轉(zhuǎn)臺(tái)及測(cè)量裝置等。 感應(yīng)同步器不同勵(lì)磁方式n A鑒相方式鑒相方式 l滑尺雙相勵(lì)磁滑尺雙相勵(lì)磁 定尺單相輸出定尺單相輸出 msinsuUt正弦繞組加勵(lì)磁電壓正弦繞組加勵(lì)磁電壓 定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) sm2sincosxekUtW余弦繞組加勵(lì)磁電壓余弦繞組加勵(lì)磁電壓 mcos cuUt定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) cm2cossinxekUtW定尺繞組總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為定尺繞組總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

13、 smmmj22sincoscossinsin() cxxe eekUt kUt kUtWWj2 /x W感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角 感應(yīng)同步器不同勵(lì)磁方式n A鑒相方式鑒相方式 l定尺單相勵(lì)磁定尺單相勵(lì)磁 滑尺輸出滑尺輸出 定尺加勵(lì)磁電壓定尺加勵(lì)磁電壓 正弦繞組和余弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦繞組和余弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 若移相若移相9090合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)mcosuUtmjmjsincossinsinscekUtekUtmjcossincekUtmjsin()ekUt感應(yīng)同步器不同勵(lì)磁方式n B鑒幅方式鑒幅方式 l滑尺雙相勵(lì)磁滑尺雙相勵(lì)磁 定尺單相輸出定尺單相輸出 正弦繞組加

14、勵(lì)磁電壓正弦繞組加勵(lì)磁電壓 定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 余弦繞組加勵(lì)磁電壓余弦繞組加勵(lì)磁電壓 定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 定尺繞組總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為定尺繞組總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 sssinuUtss2sincosxekUtWcsincuUt cc2coscosxekUtW sc22cos(sincos)scxxeeekt UUWWsmdcosuUcmdsinuU， 勵(lì)磁電壓的電相角 mddmxd22cos(cossinsincos)cossin()xxe kUtkUtWW位移角 感應(yīng)同步器不同勵(lì)磁方式n C脈沖調(diào)寬鑒幅方式脈沖調(diào)寬鑒幅方式 l滑尺滑尺非對(duì)稱波非對(duì)稱波勵(lì)磁勵(lì)磁 定尺定尺

15、輸出輸出 正弦繞組加勵(lì)磁電壓正弦繞組加勵(lì)磁電壓 基波分量在基波分量在定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 余弦繞組加勵(lì)磁電壓余弦繞組加勵(lì)磁電壓 mmsdd12sincosnUUunn tnmmcdd12()sin ()cos22nUUunn tn基波分量為基波分量為 s1md(2/ )sincosuUtc1md(2/)coscosuUtxd2sin()sinmUektl滑尺滑尺對(duì)稱波對(duì)稱波勵(lì)磁勵(lì)磁 定尺定尺輸出輸出 mxd4sin()sinUekt電動(dòng)勢(shì)增大，減小了偶次諧波分量，容易濾波得到基波分量電動(dòng)勢(shì)增大，減小了偶次諧波分量，容易濾波得到基波分量 非對(duì)稱波和對(duì)稱波非對(duì)稱波和對(duì)稱波3 3、相

16、位跟蹤細(xì)分電路、相位跟蹤細(xì)分電路u相位直接細(xì)分相位直接細(xì)分u相位跟蹤細(xì)分相位跟蹤細(xì)分滑尺雙相勵(lì)磁相位跟蹤細(xì)分原理框圖滑尺雙相勵(lì)磁相位跟蹤細(xì)分原理框圖 =2X/WmsinsuUtmcos cuUt位移角 數(shù)字相角 反饋環(huán)節(jié)，細(xì)分環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)，細(xì)分環(huán)節(jié) l正交方波產(chǎn)生電路正交方波產(chǎn)生電路 l鑒相電路鑒相電路n 確定偏差信號(hào)j-d是否超過(guò)門(mén)檻；n 輸出與偏差信號(hào)相對(duì)應(yīng)的方波脈寬信號(hào)n 確定j與d的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動(dòng)方向，也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uc Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)c

17、)正向波形圖反向波形圖l有門(mén)檻鑒相電路有門(mén)檻鑒相電路正向波形圖反向波形圖l脈沖移相電路脈沖移相電路 a) 時(shí)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n 當(dāng)當(dāng) 相位差小于鑒相門(mén)檻時(shí)相位差小于鑒相門(mén)檻時(shí) , , 的頻率等于感應(yīng)同步器勵(lì)磁信號(hào)和輸出信的頻率等于感應(yīng)同步器勵(lì)磁信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率號(hào)的頻率。n 當(dāng)當(dāng) 相位差大于鑒相門(mén)檻時(shí)，脈寬信號(hào)相位差大于鑒相門(mén)檻時(shí)，脈寬信號(hào)M M有正脈沖輸出，當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺有正脈沖輸出，當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于定尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 超前超前 ，方向信號(hào)，方向信號(hào)F F為高電平。為高電平。 的相位的相位 前移

18、，前移，跟蹤跟蹤 。 n 當(dāng)相位差大于鑒相門(mén)檻時(shí)，脈寬信號(hào)當(dāng)相位差大于鑒相門(mén)檻時(shí)，脈寬信號(hào)M M有正脈沖輸出，當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)有正脈沖輸出，當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，于定尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 滯后滯后 ，方向信號(hào)，方向信號(hào)F F為低電平。為低電平。 的相位的相位 滯后滯后，跟，跟蹤蹤 。 jddujdjddudjjddudjl跟蹤速度跟蹤速度-靜態(tài)測(cè)量速度靜態(tài)測(cè)量速度Wj=2 (f+v/w)Wd=2 f若f=2K W=2mm v34m/minn當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償速度快當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償速度快n當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)感應(yīng)同步器滑尺相對(duì)于定尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí) ，補(bǔ)償速度慢，每次只能跟，補(bǔ)償速度慢，每次只能跟 蹤一半的相位差蹤一半的相位差 ，當(dāng)移動(dòng)速度太快時(shí)可能使累計(jì)相位差超過(guò)鑒相器的鑒，當(dāng)移動(dòng)速度太快時(shí)可能使累計(jì)相位差超過(guò)鑒相器的鑒相范圍（相范圍（/2/2），丟失整個(gè)節(jié)距，產(chǎn)生失步現(xiàn)象。