第七章信號細分與辨向電路概述第一節直傳式細分電路第二節平衡補償式細分電路信號細分電路概念：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概述電路細分原因：測量電路通常采用對信號周期進行計數的方法實現對位移的測量若單純對信號的周期進行計數,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概述細分的基本原理：

根據周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規律，在一個周期內進行插值，從而獲得優于一個信號周期的更高的分辨力辨向：由于位移傳感器一般允許在正、反兩個方向移動，在進行計數和細分電路的設計時往往要綜合考慮辨向的問題概述分類：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概述xi

x1

xo

K1

K2

Kmx1

x2Ks=K1K2K3…Km

第一節直傳式細分電路直傳式細分電路由若干環節串聯而成，圖輸入量為xi，一般是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90°的兩路方波最為常見輸出xo有多種形式:有時為頻率更高的脈沖或模擬信號，有時為可供計算機直接讀取的數字信號中間環節完成從輸入到輸出的轉換，常由波形變換電路、比較器、模擬數字轉換器和邏輯電路等組成各個環節都依次向末端傳遞信息，這就是直傳的意思

電路的結構屬于開環系統，系統總的靈敏度(也可稱傳遞函數)K，為各個環節靈敏度Kj(j=l～m)之積：Ks=K1K2K3…Km第一節直傳式細分電路由于直傳系統信號單向傳遞，故越在前面的環節，

其輸入變動量所引起的輸出的變動量越大要保持系統的精度必須穩定各環節的靈敏度，特別是減少靠近輸入端的環節的誤差一般來說，直傳系統抗干擾能力較差，其精度低于平衡補償系統但由于直傳系統沒有反饋比較過程，電路結構簡單、響應速度快，故有著廣泛的應用第一節直傳式細分電路由于Ks的變化和xj的存在會使達到相同xo所需的xi值發生變化，亦即使細分點的位置發生變化

Ksj——xo對xj的靈敏度,

Ksj=Kj+1…Km

第一節直傳式細分電路缺點：直傳系統抗干擾能力較差，其精度低于平衡補償系統優點：直傳系統沒有反饋比較過程，電路結構簡單、響應速度快，有著廣泛的應用第一節直傳式細分電路典型的細分電路☆四細分辨向電路☆電阻鏈分相細分☆微型計算機細分☆只讀存儲器細分第一節直傳式細分電路一、四細分辨向電路輸入信號：具有一定相位差(通常為90)的兩路方波信號細分的原理：基于2路方波在一個周期內具有2個上升沿和2個下降沿，通過對邊沿的處理實現4細分辨向：根據兩路方波相位的相對超前和滯后的關系作為判別依據一、單穩四細分辨向電路

原理：利用單穩提取兩路方波信號的邊沿實現四細分圖7-2單穩四細分辨向電路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA≥1BBBAAAABBB≥1正向A’B’圖7-2單穩四細分辨向電路DG7&&&&&&&&UO1DG5UO2DG10R1&&1&&11A1DG1C1DG3R2DG2C2DG4DG8R3C3C4DG9R4DG6AABBBBBAAAA≥1BBBAAAABBB≥1反向ABA'B'Uo1Uo2ABA'B'Uo1Uo2a)b)圖7－3正向分析：當A發生正跳變時，由非門DG1、電阻R1、電容C1和與門DG3組成的單穩觸發器輸出窄脈沖信號A'，此時/B為高電平，與或非門DG5有計數脈沖輸出;由于B為低電平，與或非門DG10無計數脈沖輸出當B發生正跳變時，由非門DG6、電阻R3、電容C3和與門DG8組成的單穩觸發器輸出窄脈沖信號B’，此時A為高電平，DG5有計數脈沖輸出，DG10仍無計數脈沖輸出正向分析：當A發生負跳變時，由非門DG2、電阻R2、電容C2和與門DG4組成的單穩觸發器輸出窄脈沖信號/A’，此時B為高電平，與或非門DG5有計數脈沖輸出，DG10無計數脈沖輸出當B發生負跳變時，由非門DG5、電阻R4、電容C4和與DG9組成的單穩觸發器輸出窄脈沖信號/B‘，此時/A為高電平，DG5有計數脈沖輸出，DG10無計數脈沖輸出在正向運動時，DG5在一個信號周期內依次輸出A’、B’、/A’、/B’四個計數脈沖，實現了四細分同樣的方法可以分析在傳感器反向運動時，DG5無脈沖輸出，DG10有四個脈沖輸出。同樣實現了四細分DG5、DG10隨運動方向的改變交替輸出脈沖，輸出信號Uo1、Uo2可直接送入可逆計數器計數，實現辨向計數典型可逆計數器如74LS194反向分析：HCTL-20XX系列四細分辨向電路圖7-4HCTL-20XX系列集成電路細分原理圖CLKCK數字濾波器施密特觸發器CHACHB計數脈沖計數方向計數脈沖計數方向Q0-Q11,15四細分辨向電路12/16位可逆計數器Q0-Q7Q0-Q11,15D0-D11,15INH12/16位鎖存器B0-B7A0-A7＊SELOE888D0-D7細分脈沖計數方向級聯脈沖

U/DCNTCASHCTL-2020具有的功能多路切換器三態緩沖器SELOE禁止邏輯*HCTL-2000中A4-A7接地CNTDECRHCTL-20XX系列是HP公司生產的細分辨向電路包括HCTL-2000、HCTL-2016和HCTL-2020三種功能相近的芯片，四細分和辨向功能具有抗干擾設計，并將可逆計數器設計在芯片上芯片的集成度高，可大大簡化外圍電路的設計CLK為芯片外接工作時鐘，經施密特觸發器改善波形后成為CK,用作芯片內部的時鐘傳感器的兩方波信號輸入端CHA、CHB為了提高芯片的抗干擾能力，輸入信號首先經過施密特觸發器和數字濾波器的預處理預處處理后的信號經四細分辨向電路產生一路計數脈沖和一路方向控制信號，它們被送入內部可逆計數器計數器為12位(HCTL-2000)或16位(HCTL-2016/2020）計數值通常在CLK的上升沿被鎖存到后面的鎖存器，鎖存數據同樣為12位或者16位為了能夠與常用的8位數據總線按口，12位或者16位鎖存數據又經過一多切換器轉換為高、低兩個8位字節，由SEL端控制分時輸出切換器具有三態輸出緩沖機構，可以直接掛在外部數據總線上，由OE控制數據的讀取為了防止在讀取高、低字節的間隙鎖存器內密發生變化，以免讀取的高、低字節互不對應，芯片設有一禁止邏輯當讀取高字節時，啟動禁止邏輯，使鎖存器數值保持不變但這并不影響計數器照常計數，直到讀取低字節后，禁止邏輯才得以解除，鎖存器恢復正常鎖存主要實現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脈沖，實現細分二、電阻鏈分相細分1.原理

u1

u2uo

u2

R1R2uou1設電阻鏈由電阻R1和R2串聯而成，電阻鏈兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost

圖7-5電阻鏈分相細分a)原理圖b)矢量圖一般總結：輸入的正余弦信號經電阻鏈運算電路線性疊加后，得到一相位移為φ的輸出信號改變R1和R2的比值，可獲得具有不同相位的輸出信號。同時也改變了輸出電壓幅值Uom相位移只能在0～90°范圍內變化為獲得0～360°范圍內的移相信號，可采用圖所示電阻移相電路36o108o18o0o162o90o54o72o144o126o56kΩ33kΩ18kΩ24kΩ18kΩ24kΩ56kΩ33kΩ24kΩ33kΩ56kΩ18kΩ33kΩ24kΩ18kΩ56kΩ12kΩ12kΩ123564131211981065411312118910EsinωtEcosωt-Esinωt∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N∞-++N=1=1=1=1=123=1=1=1UR2.電阻鏈五倍頻細分電路由電阻移相網絡、比較器和邏輯電路三部分組成。電阻移絡在第一、二象限內給出的移相角分別為0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°、144°、162°

的10路移相信號。移相電阻的取值滿足上面的角度關系式。并盡可能兼顧到電阻系列的際稱阻值，實際取值分別為：l8kΩ、24kΩ、33kΩ、和56kΩ四種。電壓比較器將10路移相信號與參考電平UR相比較，將正弦信號轉化為方波信號。電壓比較器一般接成施密特觸發電路的形式，從比較器得到的10路方波信號再經過異或門邏輯組合電路，在3'和4'端獲得兩路相位差為90°的五倍頻方波信號，邏輯電路的工作波形見圖

施密特觸發電路上升沿和下降沿的觸發點具有不間的觸發電平，這個電平差稱為叫回差電壓(差壓)讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發點附近因噪聲來回翻轉回差電壓越大，抗干擾能力越強，但回差電壓的存在使比較器的觸發點不可避免地偏離理想觸發位置，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電阻鏈分相細分1231311131211356481098104

Esint優點:具有良好的動態特性,應用廣泛缺點:細分數越高所需的元器件數目也成比例地增加，使電路變得復雜，因此電阻鏈細分主要用于細分數不高的場合二、電阻鏈分相細分原始正交信號u1=Asin和u2=Acos作為輸入

12345678u1u2辨向電路可逆計數器數字計算機Acos過零比較器∩/#∩/#

顯示電路Asina）電路原理圖b）卦限圖三、微型計算機細分

原理：兩路原始正交輸入信號：

一方面經比較器變為方波、送入辨向計數電路，實現對信號整周期的計數另一方面，分別經各自的模/數轉換器將模擬量變為數字量，再由接口電路進入微機進行細分(周期內細分)

微機通過判別兩信號的極性和絕對值的大小，實現8細分卦限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|把一個信號分為8個區間，或稱卦限，每卦45°8個卦限中兩信號的極性和絕對值大小:

三、微型計算機細分微機按上表的內容就可判別信號所在的封限，也就實現了8細分在一個卦限內，按信號絕對值比值大小可再實現若干細分再細分在1、4、5、8卦限用|tgθ|，|u1|<|u2|在2、3、6、7卦限用|ctgθ|

，|u1|>|u2|上述卦限中的|tgθ|值或|ctgθ|值都在0到1之間變化兩信號|u1|、|u2|比值：再細分因而可用0°--45°間的|tgθ|值或|ctgθ|值來表示這樣，可計算機中固化一個表如果每卦細分數為N(本例N=25)，則用N個存儲單元固化0°--45°間N個正切值再細分如果某存儲單元是正切表的第k個單元，則相位角θ對應的細分數x，由下列公式決定: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再細分然后計算x對應的被測量，也就實現了細分微型計算機細分優點：利用判別卦限和查表實現細分，相對來說減少了計算機運算時間，若直接算反函數或，要化更多的時間；通過修改程序和正切表，很容易實現高的細分數缺點：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測量中四、只讀存儲器細分

只讀存儲器減計數鎖存器周期計數器邏輯控制器AsinAcosYX細分鎖存器加減信號發生器加∩/#∩/#D0D6D7D8D9......只讀存儲器細分原理圖四、只讀存儲器細分

YX四、只讀存儲器細分

兩路相位差為90°的正、余弦模擬信號u1=Asinθ、u2=Acosθ分別送入兩個模/數轉換器模/數轉換器一般采用8位高速型模/數轉換器，即能以超過每秒105次的轉換速度工作，保障具有較好地連續處理模擬信號的能力經模/數轉換器后，兩路模擬信號被轉換成對應的二進制數字信號X和Y，數值在0--255之間變化，其中，值128對應著輸入信號的"零"電平。X、Y與角度θ的關系如圖所示

0128255XY255128

圖模/數轉換結果與對應角度的關系

θ可以由下式求得：四、只讀存儲器細分

X和Y的字長均為8位，分別接在只讀存儲器的高8位和低8位地址線上只讀存儲器具有216個字節存儲單元，16位地址線作為輸入，一個8位數據口作為輸出X、Y的每一個組合都對應著只讀存儲器的一個16位地址，在不同地址的內存單元上，固化著0--255的每一個二進制數字信號值，固化值為X、Y對應的θ值再乘以256/(2π)，經取整后得到的整數值

當地址選通時，只讀存儲器的固化內容就會出現在它的輸出口上輸入信號u1、u2正向(或者反向)變化一個周期，輸出口的數據也會從0變到255(或者255變到0)變化一個周期。這樣就實現了對u1、u2周期的256細分只讀存儲器結果通過細分鎖存器輸出四、只讀存儲器細分

整周期的計數是通過對細分鎖存器最高兩位D6、D7的處理實現的當信號值從255增加時，兩個最高位從11變換為00。反之，當信號從0開始減少時，這兩位從00變為11每一次這樣的轉換都經加減信號發生器，產生加計數或者減計數脈沖，使周期計數器進行相應的計數計數值在邏輯控制器的控制下被送到計數鎖存器細分鎖存器每變化256個數，就會引起計數鎖存器變化1個數

這種設計使它們的二進制輸出能直接地串成總值，而無需進行變換運算邏輯控制器的作用是協調各個器件的運行時間和次序四、只讀存儲器細分

每一個周期從啟動模/數轉換器開始，待轉換完畢選通只讀存儲器，緊接著啟動細分鎖存器，待加減計數器完成更新后，同時啟動兩個鎖存器，細分數據和周期計數值同時出現在輸出口上，完成一個周期。然后再啟動模/數轉換器，如此周而復始輸出數值信號在一個周期中，通常大部分時間用于等待模/數轉換，雖然采用高速模/數轉換器，但目前受器件的限制，一般也需要lus左右才能完成一次轉換，而其它操作僅需幾十個納秒左右即可完成總起來說，只讀存儲器細分速度較快，可滿足幾十千赫茲到上百千赫茲信號細分的要求電路細分數較高，簡單，具有廣泛的應用前景end

xi-

xF

xF比較器F

Ksxo-+N∫xi第二節平衡補償式細分圖7-11平衡式細分原理圖閉環系統的靈敏度一、相位跟蹤細分1．

原理

uj=umsin(t+j)

（7-9）

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=2x/W，W為標尺節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)dj-d移相脈沖圖7－12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

3.相對相位基準和移相脈沖門圖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n/4分頻器二分頻器

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