第七章 細分電路

第七章信號細分與辨向電路§7.1直傳式細分電路四細分辨向電路電阻鏈分相細分微型計算機細分只讀存儲器細分§7.2平衡補償式細分相位跟蹤細分幅值跟蹤細分脈沖調寬型幅值跟蹤細分頻率跟蹤細分——鎖相倍頻細分功能提高分辨力對周期性測量信號進行插值識別運動方向識別測量信號的相位信號細分電路概念：信號細分電路又稱插補器，是采用電路的手段對周期性的測量信號進行插值提高儀器分辨力。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著空間上一個固定位移量。電路細分原因：

測量電路通常采用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),則儀器的分辨力就是一個信號周期所對應的位移量。為了提高儀器的分辨力，就需要使用細分電路。概述細分的基本原理輸入信號來自光柵、感應同步器、磁柵等傳感器具有周期性信號每變化一個周期對應著空間上的一個固定的位移量原理利用周期性測量信號的波形、幅度或相位變化規(guī)律，在一個周期內進行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高分辨力利用周期性測量信號的相位關系可以實現(xiàn)方向識別(由于位移傳感器一般允許在正、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。)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制信號細分電路和非調制信號細分電路。第一節(jié)直接式細分電路由若干環(huán)節(jié)串聯(lián)而成輸入來自（位移）傳感器，多為一對SIN、COS信號或相移為90°的方波信號輸出頻率更高的脈沖信號或模擬信號數(shù)字信號靈敏度（傳遞函數(shù)）

——越靠前的環(huán)節(jié)對輸出的影響越大K1K2

xix1△x1x2Kmxo直接式細分原理圖開環(huán)系統(tǒng)結構簡單、響應快抗干擾能力差、精度較低Ksj:xo對⊿xj的靈敏度Ks=K1K2K3…Km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，電路結構簡單、響應速度快，有著廣泛的應用。典型的細分電路☆四細分辨向電路

☆電阻鏈分相細分☆微型計算機細分☆只讀存儲器細分

一、四細分辨向電路最常用的細分辯向電路原理輸入信號具有一定相位差的兩路方波信號在一個周期內有2個上升沿和2個下降沿通過對輸入信號的2個上升沿和2個下降沿的處理實現(xiàn)細分根據(jù)兩路方波信號的相對導前和滯后關系辨別方向（一）單穩(wěn)四細分辨向電路利用單穩(wěn)電路提取兩路方波信號的邊沿實現(xiàn)四細分四細分&&&&≥1&&&&≥1&&11&11&ABDG1DG6DG3R1C1R2C2DG4DG2R3R4C4DG9DG8ā′B′′ā′BA′A′BB′B′BBA′AAA′āāB′B′UO1UO2單穩(wěn)四細分辨向電路DG7DG5DG104、B負跳變3、B正跳變2、A負跳變1、A正跳變當A發(fā)生正跳變時，由非門DG1、電阻R1、電容C1和與門DG3組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號A’，此時為高電平，與或門DG5有計數(shù)脈沖輸出，由于B為低電平，與或門DG10無計數(shù)脈沖輸出單穩(wěn)四細分辯向電路波形反向運動正向運動圖7－3四細分四細分禁止邏輯計數(shù)脈沖計數(shù)方向計數(shù)脈沖計數(shù)方向D0~D11（15）Q0~Q7Q8~Q11（15）D0~D11（15）INHB0~B7A0~A7*SELOE數(shù)字濾波器施密特觸發(fā)器四細分向電路辨12/16位可逆計數(shù)器12/16位鎖存器多路切換器三態(tài)緩沖器級聯(lián)脈沖計數(shù)方向細分脈沖CNTDECRU/DCNTCASD0~D7888CLKCK*HCTL－2000中A4~A7接地CHACHBSELOEHCTL－2020具有的功能（二）HCTL－20XX系列四細分辨向電路(原理圖）二、電阻鏈分相細分主要實現(xiàn)對正余弦模擬信號的細分

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。這些信號經整形、脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個周期內獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分1、原理輸入信號SIN、COS信號將SIN、COS信號施加在電阻鏈兩端在電阻鏈接點上得到不同相位與幅度的信號整形在輸入信號的一個周期中得到若干計數(shù)脈沖信號u2u1R2R1uou2u1R2R1uo

a）原理圖φu2uou1

b）矢量圖改變u1、u2可以得到第2、3、4象限的輸出信號

設電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esin

t，u2=Ecos

t

改變R1、R2可以改變φ和Uom2、電阻鏈五倍細分電路組成電阻移相網絡給出10路移相信號比較器將正弦信號轉換為方波信號一般采用施密特觸發(fā)電路的形式邏輯電路得到2路相位差90°的5倍頻方波信號異或門組合電路串聯(lián)式并聯(lián)式

電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)電平，這個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點附近因噪聲來回反轉，回差電壓越大，抗干擾能力越強。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。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，使電路變得復雜，因此電阻鏈細分主要用于細分數(shù)不高的場合。三、微型計算機細分原理輸入信號SIN、COS信號模/數(shù)轉換微機判斷兩路信號的大小和極性，實現(xiàn)細分卦限：45°相位區(qū)間辨向電路可逆計數(shù)器數(shù)字計算機顯示電路∩/#AsinθAcosθ∩/#過零比較器電路原理圖根據(jù)各卦限內兩路信號的關系（極性和大?。┛梢詫崿F(xiàn)8細分在每一卦限內，根據(jù)兩路信號的絕對值的比值可以實現(xiàn)進一步細分利用計算機代替硬件電路對模擬量進行數(shù)字計算達到細分的目的大計數(shù)小計數(shù)87654321u1u2卦限圖在1、4、5、8卦限內計算tan值在2、3、6、7卦限內計算cot值tan值與cot值均在0～1之間變化87654321u1u2使用查表的方法實現(xiàn)細分在存儲器中固化一個表，存儲一個卦限內（45°）N個tan值微機在表中查找與計算出的tan或cot最接近的存儲單元，進而求出細分數(shù)例：在一個卦限內實現(xiàn)25細分（N=25）設查找到第k個單元的值與計算出的tan或cot最接近，則細分數(shù)x為：第1卦限x=k第2卦限x=50-k第3卦限x=50+k第4卦限x=100-k第5卦限x=100+k第6卦限x=150-k第7卦限x=150+k第8卦限x=200-k特點使用查表法，減少了計算時間修改軟件和正切表，能方便地實現(xiàn)高的細分數(shù)軟件查表，速度較慢應用輸入信號頻率不高的場合優(yōu)點：利用判別卦限和查表實現(xiàn)細分，相對來說減少了計算機運算時間，若直接算反函數(shù)或，要化更多的時間；通過修改程序和正切表，很容易實現(xiàn)高的細分數(shù)。缺點：這種細分方法由于還需要進行軟件查表，細分速度慢，主要用于輸入信號頻率不高或靜態(tài)測量中。四、只讀存儲器細分原理組成模/數(shù)轉換器只讀存儲器細分鎖存器周期計數(shù)電路邏輯控制電路硬件查表將兩路輸入信號經模/數(shù)轉換的結果（8位數(shù)字量）作為地址信號選通相應的存儲單元，輸出固化的一個周期內的細分數(shù)值整周期的計數(shù)通過對細分鎖存器最高兩位（D7D6）的處理實現(xiàn)特點速度快A/D轉換的時間約1μs，其他操作僅需幾十納秒電路簡單細分數(shù)高應用廣泛，特別是輸入信號頻率較高的場合幾十千赫茲～上百千赫茲只讀存儲器細分原理圖256細分只讀存儲器細分鎖存器加減信號發(fā)生器周期計數(shù)器計數(shù)鎖存器邏輯控制器……D9D8D7D0AsinθAcosθXY∩/#∩/#D15整周期的計數(shù)通過對細分鎖存器最高兩位（D7D6）的處理實現(xiàn)。當信號值從255增加時，二個最高位從11變化為00。反之，當信號值從0開始減少時，這二位從00變?yōu)?1。模數(shù)轉換結果與對應角度的關系固化值=INT(θ×256/(2π))題7-1圖例7－1圖7-31為一單穩(wěn)辨向電路，輸入信號A、B為相位差90

的方波信號，分析其辨向原理，并分別就A導前B90、B導前A90的情況，畫出A、Uo1、Uo2的波形。可見，當A導前B90

時，Uo1有輸出，Uo2無輸出，當B導前A90時，Uo1無輸出，Uo2有輸出，實現(xiàn)辨向。

o2

ABABAUO1UO2ABABAUO1UO2

xi-

xF

xF比較器F

Ksxo-+N∫xi第二節(jié)平衡補償式細分

平衡式細分原理圖

閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度一、相位跟蹤細分

1．

原理

uj=umsin(

t+

j)

um、

——載波信號的振幅和角頻率；

j——調制相移角，

j通常與被測位移x成正比，

j=2

x/W，W為標尺節(jié)距。鑒相電路移位脈沖門相對相位基準分頻器顯示電路放大整形umsin(

t+

j)

d

j-

d移相脈沖

相位跟蹤細分框圖

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的方波脈寬信號確定

j與

d的導前、滯后關系，以確定滑尺移動方向，也就是辨向

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: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)UjUj

UdUcDG1DG2UxFxUjUdUd

UcDG1DG2UxFxb)c)圖:有門檻的鑒相電路a)電路圖b)正向波形圖c)反向波形圖

3.相對相位基準和移相脈沖門

圖: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&