第七章信號細分與辨向電路

作用：細分電路實現對周期性的測量信號進行插值，提高儀器的分辨率；辨向電路實現對周期性信號極性的判斷。

7.1直傳式細分電路（★）7.2平衡補償式細分電路2023/2/5第七章信號細分與辨向電路

信號細分電路概念：信號細分電路又稱插補器，是采用電路手段對周期性的增量碼信號進行插值提高儀器分辨力的一種方法。信號的共同特點：信號具有周期性，每變化一個周期就對應空間上的一個固定位移量。例如光柵、磁柵、容柵、感應同步器等輸出的信號。2023/2/5第七章信號細分與辨向電路若兩光柵柵距W相同，兩光柵柵線的夾角θ很小，則有：第七章信號細分與辨向電路信號細分原因：

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。細分的基本原理：

根據周期性測量信號的波形、幅值或者相位的變化規律，在一個周期內進行插補，從而獲得優于一個信號周期的更高的分辨力。第七章信號細分與辨向電路什么是辨向：辨別機構的移動方向為什么要辨向：

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。

由A前進至C與由A后退至B信號變化情況相同由E前進與由D后退信號變化情況相同難以根據單一信號辨向ABCDE為了辨向常需要兩路信號AB前進B在A前面后退A在B前面ttuu第七章信號細分與辨向電路無法根據兩路相位差0或180的信號辨向，相位差90的兩路信號最可靠。第七章信號細分與辨向電路7.1直傳式細分電路直傳式細分直接利用位移信號進行細分，稱其為直傳式是相對于跟蹤式（平衡補償式）而言的，也因為它可以由若干細分環節串聯而成。系統總的靈敏度Ks為各個環節靈敏度Kj

(j=1~m)之積，

Ks=K1K2K3????Km

xi

x1

xoK1

K2KmDx1

x2

第七章信號細分與辨向電路2023/2/57.1直傳式細分電路

xi

x1

xoK1

K2KmDx1

x2

如果個別環節靈敏度Kj發生變化，它勢必引起系統總的靈敏度的變化。另外，由于干擾等原因，當某一個環節的輸入量有增量?xj時，都會引起輸出量xo的變化，這時Ksj——xo對于xj的靈敏度；ksj=Kj+1???Km7.1直傳式細分電路越靠近輸入端環節的輸入量增量?xj所引起輸出的變化就越大，故盡量減小靠近輸入端環節的誤差。缺點：抗干擾能力差，精度低于平衡補償系統。優點：沒有反饋比較環節，電路結構簡單，響應速度快，有著廣泛應用。7.1.1四細分辨向電路

輸入信號：相位差90的兩路方波信號。

細分原理：利用兩路相位差90的信號的4個跳變沿，利用單穩態觸發電路在一個周期內輸出4個脈沖。R&CDG21DG1AAABA單穩7.1直傳式細分電路辨向原理：根據兩路方波相位的相對導前和滯后的關系作為判別依據。

如果A出現在B為負的半周期，則A滯后于B，正向運動；如果A出現在B為正的半周期，則A超前于B，反向運動。ABAABA前進后退7.1.1四細分辨向電路ABAB前進后退正向：

A出現在B為負的半周期

B

出現在A為正的半周期

A出現在B為正的半周期

B

出現在A為負的半周期反向：

B

出現在A為負的半周期

A出現在B為正的半周期

B

出現在A為正的半周期

A出現在B為負的半周期

7.1.1四細分辨向電路7.1.1.1單穩四細分辨向電路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5當傳感器正向移動時設A導前B，

當A、B發生正跳變，輸出窄脈沖信號A'、B'。

A

BA'B'

2023/2/5

A'B'

ABA'B'7.1.1.1單穩四細分辨向電路當A、B發生負跳變，輸出窄脈沖信號A'、B'。

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG52023/2/5

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

7.1.1.1單穩四細分辨向電路

DG7

&

&

&

&

&

&

&

&

Uo1

Uo2

R1

&

&

1&

&

1

1A

1DG1

C1

DG3

R2

DG2

R4

DG6

A

A

BB

BBB

A

A

A'A'

B'B'BA'A'A'A'B'B

B'

≥1≥1DG4C2R3C3C4DG8DG9DG10DG5在一個周期內實現了四細分。2023/2/5A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

A

B

A'

B'A'

B'

Uo1

Uo2

7.1.1.1單穩四細分辨向電路a)正向運動a)反向運動輸出信號Uo1、Uo2可直接送入標準系列可逆計數集成電路，實現辨向計數。2023/2/5輸入信號：相位差90的兩路正余弦（正交）模擬信號。工作原理：將正余弦信號施加在電阻鏈兩端，由于兩信號的疊加作用，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。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。a)原理圖b)相量圖7.1.2電阻鏈分相細分2023/2/5u1

u2

R1R2uo

uo7.1.2電阻鏈分相電路7.1.2.1原理設u1=Esinωt，u2=Ecosωt改變R1和R2可調節輸出信號uo的幅值uom和相位φ，uo經電壓比較器整形為方波信號，再經邏輯電路處理即可實現細分。2023/2/50o

16295￠

∞∞-URo13

12

11

-++

N

=

1ooo18547256kΩ

33kΩ18kΩ

24kΩ

5

6

4Esinωt

-++

N=

1

36o36o

108o

18o

12kΩ

1

23∞-++

N

∞-++

N

∞=

1

0o

108o

18kΩ

24kΩ

56kΩ

33kΩ

12kΩ

8

10++

N

=

190o9024kΩ

33kΩ

56kΩ

18kΩ

6￠

4￠

Ecosωt

∞-+

+

N=

1

o54o

72o

144o

126o33kΩ

24kΩ

18kΩ

56kΩ

1￠

13￠

12￠

11￠

8￠

9￠10￠

-Esinωt

∞-++

N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

2￠

3￠

=1

=

1

=

1

144126162oooo180構成：電阻移向網絡、比較器、邏輯電路（異或門）移向網絡：在第一、二象限內給出移相角0、18、...162十路移相信號（正弦信號）比較器：將十路移相信號與參考電平比較形成方波。7.1.2.2電阻鏈五倍頻細分電路2023/2/50o

16295￠

∞∞-URo13

12

11

-++

N

=

1ooo18547256kΩ

33kΩ18kΩ

24kΩ

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1

36o36o

108o

18o

12kΩ

1

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N

∞-++

N

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1

0o

108o

18kΩ

24kΩ

56kΩ

33kΩ

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6￠

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11￠

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-Esinωt

∞-++

N∞-++

N

∞-++

N∞-++

N

2￠

3￠

=1

=

1

=

1

144126162oooo180邏輯電路：異或門將十路方波在3'和4'端獲得兩路相位差90的五倍頻方波信號，滿足四細分電路對輸入信號要求；若將3'和4'輸出端接入單穩四細分辨向電路的A和B，就可實現20細分，且能辨向。7.1.2.2電阻鏈五倍頻細分電路2023/2/51+21+21+2

123131113￠12￠11￠3￠5648109￠8￠10￠4￠Esinwt

36o108o18o162o90o54o72o144o126o1+20o5+612+1312+13￠￠1+2￠￠8+98+9￠￠5+6￠￠7.1.2.2電阻鏈五倍頻細分電路2023/2/57.1.2.2五細分專用集成電路sin、cos、-sin三路信號通過電阻鏈移相產生十路移相信號，經十路比較器和邏輯電路在O1、O2獲得兩路正交信號。

微型計算機細分就是利用微型計算機進行數值計算來進行細分，它用數字計算機代替硬件電路對模擬量進行計算達到細分目的。微機細分按工作原理可分為：（1）與硬件細分相結合的細分技術；（2）時鐘脈沖細分技術；（3）量化細分技術。7.1.3微型計算機細分2023/2/57.1.3.1與硬件細分相結合的細分技術光柵傳感器

細分辨向緩沖計數器1放大整形

緩沖計數器2微機接口細分與辨向：由硬件電路完成；

計數、處理和顯示：由微機完成；

緩沖計數器：提高系統的響應速度，光柵移動最高速度為：7.1.3.2時鐘脈沖細分技術將光柵一個柵距W內的信號轉化為計時的方法實現細分。X1X2X0T1T01T02T2位移量：細分脈沖最小周期：——決定分頻數最大細分數：

（——綜合誤差)(W/N>=?x')a）電路原理圖

辨向電路可逆計數器數字計算機Acos過零比較器∩/#∩/#顯示電路Asin整周期計數周期內細分7.1.3.3量化細分技術

兩路正交輸入信號u1=Asin和u2=Acos，一方面經比較器變為方波，再經辨向計數電路實現信號周期的計數；另一方面經A/D將模擬量變為數字量，由接口電路進行微機細分。2023/2/51、4、5、8卦限2、3、6、7卦限

u1u21

2

34

5

678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|7.1.3.3量化細分技術在一個卦限內還可實現若干細分<1<1整周期量化細分：1

2

34

5

678u1u2

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+k200細分為減少計算機運算時間，采用軟件查表，細分速度比硬件慢，主要用于靜態測量中。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-k7.1.3.3量化細分技術■優點：利用計算機來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arctan(u1/u2)或arccot(u2/u1)，要花費更多的時間；通過修改程序和正切表，很容易實現高的細分數。■缺點：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測量中。7.1.3.3量化細分技術7.1.3.4只讀存儲器細分改軟件查表為硬件查表只讀存儲器減計數鎖存器周期計數器邏輯控