信號細(xì)分與辨向電路ppt課件

1、第七章第七章 信號細(xì)分與辨向電路信號細(xì)分與辨向電路 信號細(xì)分電路概念： 概概 述述 信號細(xì)分電路又稱插補(bǔ)器，是采用電路的手段對周期性的測量信號進(jìn)行插值提高儀器分辨力。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，細(xì)分電路可達(dá)到的分辨率越來越高，同時成本卻在不斷降低，電路細(xì)分已經(jīng)成為人們提高儀器分辨率的主要手段之一。概概 述述 信號具有周期性，信號每變化一個周期就對應(yīng)著信號具有周期性，信號每變化一個周期就對應(yīng)著空間上一個固定位移量?？臻g上一個固定位移量。 細(xì)分電路在機(jī)械和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本細(xì)分電路在機(jī)械和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本章內(nèi)容主要針對測控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的位移信號，如章內(nèi)容主要針對測控系統(tǒng)中應(yīng)用

2、廣泛的位移信號，如來自光柵、磁柵、激光干涉儀等的信號細(xì)分。來自光柵、磁柵、激光干涉儀等的信號細(xì)分。 這類信號的共同特點是：這類信號的共同特點是：電路細(xì)分原因：電路細(xì)分原因： 概概 述述 測量電路通常采用對信號周期進(jìn)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(jìn)行計數(shù), 則儀器的分辨力就是一個信號周期所對應(yīng)的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細(xì)分電路。細(xì)分的基本原理：細(xì)分的基本原理：概概 述述 根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力。辨向的問題： 概概 述述 由于位移傳感器一般允許在正、反兩個方向移動，在進(jìn)行計數(shù)和

3、細(xì)分電路的設(shè)計時往往要綜合考慮辨向的問題。細(xì)分電路的分類：細(xì)分電路的分類：概概 述述按工作原理，可分為直傳式細(xì)分和平衡補(bǔ)償式細(xì)分。 按所處理的信號，可分為調(diào)制信號細(xì)分電路和非調(diào)制信號細(xì)分電路。第一節(jié)第一節(jié) 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路第二節(jié)第二節(jié) 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 概概 述述xi x1 xo K1 K2 Kmx1 x27.1 直傳式細(xì)分電路直傳式細(xì)分電路由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。 輸入量：來自位移傳感器的周期信號，以一對正、余弦信號或者相移為900的兩路方波最為常見。 輸出量：有多種形式，有時為頻率更高的脈沖或模擬信號，有時為可供計算機(jī)直接讀取的數(shù)字信號。 中間環(huán)節(jié)完成從輸入到輸

4、出的轉(zhuǎn)換，常由波形變換電路、比較器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和邏輯電路等組成。各環(huán)節(jié)依次向末端傳遞信息直傳的意思。系統(tǒng)靈敏度：系統(tǒng)靈敏度：mjjjxKxKx1sisoKsj xo對xj的靈敏度, Ksj=Kj+1Km 7.1 直傳式細(xì)分電路msKKKKK.321 電路結(jié)構(gòu)屬于開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)總的靈敏度(也稱傳遞函數(shù)) Ks為各個環(huán)節(jié)靈敏度Kj(j=1m)之積。 如果個別環(huán)節(jié)靈敏度Kj發(fā)生變化，它勢必會引起系統(tǒng)總的靈敏度的變化。此外，由于干擾等原因，當(dāng)某一環(huán)節(jié)的輸入量有增量 時，都會引起輸出量xo的變化，此時：jx直傳系統(tǒng)特點：直傳系統(tǒng)特點：7.1 直傳式細(xì)分電路 直傳式系統(tǒng)信號單向傳遞，故越在前面的環(huán)節(jié)，

5、其輸入變動量所引起的xo的變動量越大。因此要保持系統(tǒng)的精度必須穩(wěn)定各環(huán)節(jié)的靈敏度，特別是減少靠近輸入端的環(huán)節(jié)的誤差。n缺陷：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平缺陷：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平衡補(bǔ)償系統(tǒng)。衡補(bǔ)償系統(tǒng)。 n優(yōu)點：直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡優(yōu)點：直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，有著廣泛的應(yīng)用。單、響應(yīng)速度快，有著廣泛的應(yīng)用。 7.1 直傳式細(xì)分電路典型的直傳式細(xì)分電路典型的直傳式細(xì)分電路7.1 直傳式細(xì)分電路 四細(xì)分辨向電路 電阻鏈分相細(xì)分 微型計算機(jī)細(xì)分 只讀存儲器細(xì)分 輸入信號：具有一定相位差(通常為90)的兩路方波信號。 細(xì)分的原理：基

6、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(xì)分。 辨向：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)。 7.1.1 四細(xì)分辨向電路四細(xì)分辨向電路是最為常用的細(xì)分辨向電路。單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路7.1.1 四細(xì)分辨向電路 原理： 利用單穩(wěn)提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細(xì)分。DG7&UO1DG5UO2DG10R1&1&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA1BBBAAAABBB1圖7-2 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路 AABBABABU o1U o2a)ABABU o1U o2b) 電阻鏈分相細(xì)分是

7、應(yīng)用很廣的細(xì)分技術(shù)，主要實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細(xì)分。 工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，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(xì)分。 7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分 設(shè)電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost 。7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分)/(cos)/(sin211212RRtRERRtREuo u1 u2uo u2 R1R2uou1211RRER212RRER)/(212221RRRREUom)/arctan(21RR 輸出電壓的幅值與

8、相位都與R1和R2的比值有關(guān)。 不同相的輸出電壓信號經(jīng)電壓比較器整形為方波，然后經(jīng)邏輯電路處理即可實現(xiàn)細(xì)分。36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56k33k18k24k18k24k56k33k24k33k56k18k33k24k18k56k12k12k123564131211981065411312118910EsintEcost-Esint-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N-+N= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 1= 123= 1= 1= 1= 1= 1= 1UR電阻鏈五倍頻細(xì)分電路123131113121135648109

9、8104 Esint五倍頻細(xì)分電路的波形優(yōu)點: 具有良好的動態(tài)特性，應(yīng)用廣泛。缺陷: 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)不高的場合。7.1.2 電阻鏈分相細(xì)分 微型計算機(jī)具有豐富的運(yùn)算和邏輯功能，它可用來完成細(xì)分，從而簡化儀器電路硬件構(gòu)造，增強(qiáng)儀器功能，提高儀器精度。7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分1 2 3 4 5 6 7 8u1u2b) 卦限圖 兩路原始正交信號u1=Asin和u2=Acos作為輸入。微機(jī)通過判別兩信號的極性和絕對值的大小，實現(xiàn)8細(xì)分。7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分辨向電路可逆計數(shù)器數(shù)字計算機(jī)Acos 過零比較器/#/# 顯 示 電

10、路a) 電路原理圖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|7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分 在一個卦限內(nèi)，按信號絕對值比值大小，還可以再實現(xiàn)若干細(xì)分。7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分|cos|sin|tan|21uuAA或|sin|cos|cot|12uuAA1 2 3 4 5 6 7 8u1u2b) 卦限圖 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之間變化，因而可用00450間的

11、|tan|值來表示。這樣，在計算機(jī)中固化一個表，如果每卦細(xì)分?jǐn)?shù)為N，則用N個存儲單元固化00450間N個正切值。兩信號|u1|、|u2|的比值可按：7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分 例如N=25，經(jīng)8細(xì)分后的每個卦限再被細(xì)分成25份，微機(jī)在此表中查詢與已算得的|tan|值或|cot|值最接近的存儲單元，如果該存儲單元是正切表的第k個單元，則相位角對應(yīng)的細(xì)分?jǐn)?shù)x由下列公式?jīng)Q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然后計算x對應(yīng)的被測量，也就實現(xiàn)了細(xì)分。n優(yōu)點：

12、 7.1.3 微型計算機(jī)細(xì)分 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，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。)/arctan(21uu)/arctan(12uu 利用判別卦限和查表實現(xiàn)細(xì)分，相對來說減少了計算機(jī)運(yùn)算時間，若直接算反函數(shù) 或 要花更多的時間；通過修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。n缺陷： 只讀存儲器減計數(shù)鎖存器周期計數(shù)器邏輯控制器A s i nA c o sXY細(xì)分鎖存器加減信號發(fā)生 器加/#/#D0D6D7D8D9.7.1.4 只讀存儲器細(xì)分 只讀存儲器細(xì)分是微型計算機(jī)細(xì)分的發(fā)展，旨在解決微機(jī)細(xì)分中軟件查表速度慢的問題，改軟件查表為硬件查表。0 128 255XY

13、255128 圖7-10 模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)角度的關(guān)系 )128(128128arctg)128,128(23)128,128(2)128,128(128128arctg2)128,128(128128arctgXXYYXYXYXXYYXXY7.1.4 只讀存儲器細(xì)分7.1.4 只讀存儲器細(xì)分 只讀存儲器細(xì)分速度較快，可滿足幾十千赫茲到上百千赫茲信號細(xì)分的要求，隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度將不斷提高，只讀存儲器方法的細(xì)分速度可望得到進(jìn)一步提高。同時由于其細(xì)分?jǐn)?shù)較高，電路相對簡單的特點，這種細(xì)分方法具有廣泛的應(yīng)用前景。7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路廣泛應(yīng)用于標(biāo)尺節(jié)

14、距大的感應(yīng)同步器，也用于磁柵、光柵式儀器中。這種細(xì)分方法可實現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)，例如2000，甚至10000。FxFxxiFoFxxKioF1 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路的相應(yīng)速度一般比直傳式細(xì)分電路的低，如果測量速度過快，就會發(fā)生跟蹤不上，甚至失步的問題。為保證精度，必須限制測量速度。比較器F Ksxoxi-+NxFxi-xF門檻電壓不能太小平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 相位跟蹤細(xì)分7.2 平衡補(bǔ)償式細(xì)分電路 原理原理 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分 j調(diào)制相移角，j通常與被測位移x成正比， j=2x/W，W為標(biāo)尺節(jié)距。 相位跟蹤細(xì)分屬于平衡式細(xì)分，它的輸入信號一般為相位調(diào)制信號：)sin(jmjtUu

15、Um、 載波信號的振幅和角頻率；鑒相電路移位脈沖門 相對相位基準(zhǔn)分頻器顯示電路放大整形umsin(t+j)dj-d移相脈沖圖712相位跟蹤細(xì)分框圖 7.2.1 相位跟蹤細(xì)分UUnUnUUnUU 鑒相電路鑒相電路7.2.1 相位跟蹤細(xì)分鑒相電路要做三方面的工作： 確定偏差信號j-d是否超過門檻； 輸出與偏差信號相對應(yīng)的方波脈寬信號 確定j與d的導(dǎo)前、滯后關(guān)系，以確定滑尺移動方向， 也就是辨向 UdUX&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcD G1D G2UxFxUjUdUcD G1D G2UxFxb)c)此鑒相電路沒有門檻，會有在平衡點附近振擺跟蹤的問題。 Uc7.2.1 相位跟蹤細(xì)分鑒相電路 UdUX&Uc Uj UdDG1Uj DG2DG3DG4DG5FXFXUj Uc UdRRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxb)UjUdUdUcDG1DG2UxFxc)有門檻的鑒相電路