信號細(xì)分與辨向課件

第7章信號細(xì)分與辨向電路概述直傳式細(xì)分電路平衡補償式細(xì)分電路概述信號的共同特點：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。信號細(xì)分電路概念：信號細(xì)分電路又稱插補器，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。電路細(xì)分原因：

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：

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。

數(shù)字式檢測和計量儀器隨著激光、光柵、磁柵感應(yīng)同步器等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字式測量儀器也越來越多，特別是各種儀器電路與微機計算及處理技術(shù)緊密結(jié)合與應(yīng)用，又促進(jìn)了檢測及計量儀器數(shù)字化。數(shù)字式電路不僅讀數(shù)方便、客觀、量程大，能較好地解決量程與分辨率的矛盾。易于集成化，抗干擾能力強，便于動態(tài)采樣和記憶保存，便于與計算機聯(lián)用。所以數(shù)字式檢測及計量儀器得到廣泛應(yīng)用。細(xì)分電路是精密計量儀器的重要組成部分，它的功用是提高儀器的分辨率，同時使測量信號數(shù)字化。

數(shù)字式檢測和計量儀器的信息獲取，主要采用感應(yīng)同步器、計量光柵、磁柵、激光等做測量標(biāo)尺，提取直線或角度位置的檢測和計量信息。同時為了提高檢測裝置的分辨率和確定移動方向。常采用細(xì)分和變向電路，且使測量信號數(shù)字化及顯示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求讀數(shù)值越來越小，如果靠進(jìn)一步減小測量標(biāo)尺刻度來減小讀數(shù)值，要受到工藝等因素限制。要使位移信號每變化一個周期不是計一個數(shù)，而是計若干數(shù)，就要采用細(xì)分技術(shù)。一個周期計4個數(shù)叫4細(xì)分。在4細(xì)分情況下，柵距是4μm的光柵，可達(dá)到1μm的分辨率。在設(shè)計儀器時，要根據(jù)實際情況揚長避短，合理分配光、機、電、細(xì)分?jǐn)?shù)的比例，提高儀器總的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。用電路來完成細(xì)分任務(wù)叫電子細(xì)分，是本節(jié)要講述的內(nèi)容。xi

x1

xo

K1

K2

Kmx1

x2圖7-1由于個別環(huán)節(jié)靈敏度xj的變化，它勢必引起系統(tǒng)總靈敏度的變化。此外，由于干擾等原因，當(dāng)某一環(huán)節(jié)的輸入量有增量△xj時，都會引起輸出量x０的變化，這時有

式中為由于△xj引起輸出x０變化的靈敏度。顯然，由于Ks的變化和△xj的存在會使達(dá)到相同的x０所需的x

j值發(fā)出變化，也即使細(xì)分點的位置發(fā)生變化。由于直傳系統(tǒng)信號單向傳遞，越在前面的環(huán)節(jié)，其輸入變動員所引起的x０變動量越大，因而要保持系統(tǒng)的精度必須穩(wěn)定各環(huán)節(jié)的靈敏度，減少各環(huán)節(jié)特別是靠近系統(tǒng)輸入端的環(huán)節(jié)的輸入誤差?；谏鲜鲆螅眰飨到y(tǒng)的抗干擾能力較差，其精度一般低于平衡補償系統(tǒng)。在同等精度要求下，直傳系統(tǒng)對電路元器件的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和裝調(diào)技術(shù)有更高的要求。但是，由于直傳系統(tǒng)沒有反饋比較過程，一般說來電路結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度較快。缺點：直傳系統(tǒng)抗干擾能力較差，其精度低于平衡補償系統(tǒng)。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。典型的細(xì)分電路:

☆四細(xì)分辨向電路☆電阻鏈分相細(xì)分☆微型計算機細(xì)分☆只讀存儲器細(xì)分一、單穩(wěn)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。電路如下圖7-2所示。

正向運動和反向運動的波形如下圖7-3所示。圖7-2單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA≥1BBBAAAABBB≥1ABA'B'Uo1Uo2ABA'B'Uo1Uo2a)b)圖7－37.1.2電阻鏈分相細(xì)分主要實現(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。

u1

u2uo

u2

R1R2uou1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

圖7-5電阻鏈分相細(xì)分a)原理圖b)矢量圖1.原理36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ12kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR2.電阻鏈五倍頻細(xì)分電路圖7-6

電阻鏈五倍頻細(xì)分電路電阻鏈分相細(xì)分優(yōu)點:具有良好的動態(tài)特性,應(yīng)用廣泛缺點: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。12345678u1u2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圖7-8微型計算機整機細(xì)分a）電路原理圖b）卦限圖a)b)7.1.3微型計算機細(xì)分細(xì)分量化原理框圖如下。原始正交信號u1=Asin和u2=Acos作為輸入。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|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(xì)分鎖存器加減信號發(fā)生器加∩/#∩/#D0D6D7D8D9......圖7-9只讀存儲器細(xì)分原理圖只讀存儲器細(xì)分只讀存儲器細(xì)分原理框圖如下：0128255XY255128

圖7-10模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)角度的關(guān)系模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)角度的關(guān)系如下：

可見,KF由F決定,與K0無關(guān)，或關(guān)系極小。僅要求K0F足夠大，可放寬對K0的線性穩(wěn)定性要求，這是系統(tǒng)抗干擾能力強的原因之一；F要糧確、穩(wěn)定。反饋環(huán)節(jié)通常是數(shù)字分頻器，它比較容易做得精確、穩(wěn)定，這是系統(tǒng)本身能有高精度的重要原因;KF是F的倒數(shù)，系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)就等于分頻器的分頻數(shù)，分頻數(shù)比較容易做得大,因而系統(tǒng)能實現(xiàn)高的細(xì)分?jǐn)?shù)。反饋環(huán)節(jié)就是細(xì)分機構(gòu)。7.2.1相位跟蹤細(xì)分1．

原理

uj=umsin(t+j)

um、

——載波信號的振幅和角頻率；

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)分框圖如下圖所示。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7－12相位跟蹤細(xì)分框圖2.鑒相電路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。鑒相電路如下圖所示。此鑒相電路沒有門檻，會有在平衡點附近振擺跟蹤的問題。

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXa)UjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUcDG1DG2UxFxb)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

圖７－13鑒相電路a)電路圖

b)正向波形圖

c)反向波形圖

UdUX&&&&&Uc

Uj

UdDG1Uc

Uj

DG2DG3DG4DG5FXFXUj

′

Ud′

RRCCa)UjUjUdUcDG1DG2UxFxUjUdUdUcDG1DG2UxFxb)c)圖7-14有門檻的鑒相電路a)電路圖

b)正向波形圖

c)反向波形圖

圖7-15加減脈沖改變d原理圖a)時鐘脈沖b)正常分頻c)減脈沖d)使d延后e)加脈沖f)使d前移減脈沖加脈沖相對相位基準(zhǔn)和移相脈沖門改變d原理圖如下。相對相位基準(zhǔn)與移相脈沖原理圖如圖7-16所示。

3.相對相位基準(zhǔn)和移相脈沖門n/4分頻器二分頻器

Uxn/2分頻器相對相位基準(zhǔn)移相脈沖門Uc

Ms去數(shù)顯電路DFDG1DG3DG2UxUd&&SRDC&

f0

Fx

圖7-16相對相位基準(zhǔn)與移相脈沖4．測量速度動態(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(xì)分脈沖當(dāng)量，就要求在一個載波周期內(nèi)相位角的變化不超過一個細(xì)分脈沖當(dāng)量，即

式中，V為測量速度；f為載波信號頻率；n為細(xì)分?jǐn)?shù)；W為標(biāo)尺節(jié)距。或

移動速度產(chǎn)生的相位差Δθ為7.2.2幅值跟蹤細(xì)分

7.2.3脈沖調(diào)寬型幅值跟蹤細(xì)分7.2.4頻率跟蹤細(xì)分-鎖相倍頻細(xì)分

這是一種鎖相式數(shù)字頻率合成技術(shù)，用來實現(xiàn)測量信號的n倍頻，以實現(xiàn)n細(xì)分。細(xì)分系統(tǒng)原理框圖如下。鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器n分頻器fifofo/nUc圖7-29鎖相倍頻細(xì)分原理圖此系統(tǒng)由四個主要部件——鑒