第七章 信号细分与辨向电路
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测控电路习题详解
测控电路习题详解第一章绪论 (2)第二章信号放大电路 (7)第四章信号分离电路 (14)第五章信号运算电路 (25)第六章信号转换电路 (29)第七章信号细分与辨向电路 (34)第一章绪论1-1为什么说在现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术？为了获得高质量的产品，必须要求机器按照给定的规程运行。
例如，为了加工出所需尺寸、形状的高精度零件，机床的刀架与主轴必须精确地按所要求的轨迹作相对运动。
为了炼出所需规格的钢材，除了严格按配方配料外，还必须严格控制炉温、送风、冶炼时间等运行规程。
为了做到这些，必须对机器的运行状态进行精确检测，当发现它偏离规定要求，或有偏离规定要求的倾向时，控制它，使它按规定的要求运行。
为了保证产品质量，除了对生产过程的检测与控制外，还必须对产品进行检测。
这一方面是为了把好产品质量关，另一方面也是为了检测机器与生产过程的模型是否准确，是否在按正确的模型对机器与生产过程进行控制，进一步完善对生产过程的控制。
生产效率一方面与机器的运行速度有关，另一方面取决于机器或生产系统的自动化程度。
为了使机器能在高速下可靠运行，必须要求机器本身的质量高，其控制系统性能优异。
要做到这两点，还是离不开测量与控制。
产品的质量离不开测量与控制，生产自动化同样一点也离不开测量与控制。
特别是当今时代的自动化已不是本世纪初主要靠凸轮、机械机构实现的刚性自动化，而是以电子、计算机技术为核心的柔性自动化、自适应控制与智能化。
越是柔性的系统就越需要检测。
没有检测，机器和生产系统就不可能按正确的规程自动运行。
自适应控制就是要使机器和系统能自动地去适应变化了的内外部环境与条件，按最佳的方案运行，这里首先需要的是对外部环境条件的检测，检测是控制的基础。
智能化是能在复杂的、变化的环境条件下自行决策的自动化，决策的基础是对内部因素和外部环境条件的掌握，它同样离不开检测。
1-2试从你熟悉的几个例子说明测量与控制技术在生产、生活与各种工作中的广泛应用。
测控电路课后答案(张国雄 第四版)第七章
Uj 滞后 Ud 时（图 7-14c） ，只有 DG2 有可能输出低电平 , Ud′是 Ud 的延时信号，也可起门槛
作用。调节电阻 R 和电容 C 可改变门槛的大小。 7-6 请说明图 7-19 中用 sinAα+cosAαtgBβ代替 sinθd=sin(Aα+Bβ)， 用 cosAα-sinAαtgBβ代 替 cosθd=cos(Aα+Bβ)，为什么不会带来显著误差？ 图 7-19 中把 180 °的相位角先按 α=18 °等分为 10 份，再把 18°按 β=1.8°等分为 10 份， 则 θd＝ Aα＋ Bβ。 A、 B 为 0～9 的整数。可写出 sin θd=sin( Aα+Bβ)=cos Bβ(sin Aα+cos AαtgBβ) cos θd=cos( Aα+Bβ)=cos Bβ(cos Aα-sin AαtgBβ) 因为 Bβ=(0～9）×1.8°=0°～16.2 °，cosBβ=1～0.963。正余弦激磁电压同时增大不影响平 衡位置，故可近似取 sinθd≈sinAα+cos AαtgBβ， cosθd≈cosAα-sin AαtgBβ 。
第七章
7-1
信号细分与辨向电路
图 7-31 为一单稳辨向电路，输入信号 A、B 为相位差 90°的方波信号，分析其辨向原 理，并分别就 A 导前 B 90°、B 导前 A 90°的情况，画出 A′、Uo1、Uo2 的波形。
A1Biblioteka &RDG1
A′ C
DG2
DG4
&
Uo1
1
DG3
&
B
题 7-1 图
Uo2
DG5
7-7 请比较相位跟踪细分、幅值跟踪细分和脉冲调宽型幅值跟踪细分的优缺点。 相位跟踪细分常用于感应同步器和光栅的细分，由于在一个载波周期仅有一次比 相，因此对测量速度有一定的限制。相位跟踪细分电路较简单。 幅值跟踪细分主要应用于鉴幅型感应同步器仪器。 感应同步器是闭环系统的组成部 分，因而幅值跟踪系统实现了全闭环，而相位跟踪系统只实现半闭环（感应同步器在环 外） ， 这使幅值跟踪系统具有更高的精度和更好的抗干扰性能。 电路中函数变压器受温度、 湿度影响小、不易老化，稳定性好，但工艺复杂，技术要求高，体积重量大，也可采用 集成电路的乘法型 D/A 转换器代替函数变压器。 幅值跟踪细分比相位跟踪系统允许更高 的移动速度。但电路较复杂。 脉冲调宽型幅值跟踪细分也是一种幅值跟踪细分系统， 只是用数字式可调脉宽函数发 生器代替上一系统中的函数变压器和切换计数器。因此保留了幅值跟踪系统的优点，系 统有高精度和高抗干扰能力。数字式脉宽函数发生器体积小、重量轻、易于生产，有高 的细分数，且有高的跟踪能力。数字电路可以灵活地根据测速改变跟踪速度。军用的高 速动态测量系统多采用具有高速数字跟踪能力的脉冲调宽方案，它有位置、速度甚至加 速度跟踪能力。当然，电路相当复杂。
第7章 信号细分与辨向电路
例：若采用这种移相桥实现12细分，所有的电位器电阻值均为12KΩ，计 算第一象限的各电阻值分阻阻值。
Ecosωt
360 30 12
每个象限内相位差30°
0° ~90° 移相
R1
90° ~180° 移相
R2
0°:
arctan
R1 0 R2
R1 R2 12 K
Esinωt
根据上述原理，已制成集成电路C5194、C5191
A
1
&
A DG4
R DG1 C DG2
图为一单稳辨向电路，输入信号A、B为相位差90
&
的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A导前B
90、B导前A 90的情况，画出A、Uo1、Uo2的波形。
1
Uo1
DG3 B
&
Uo2 DG5
可见，当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A 90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。
b） 卦限图
1、4、5、8卦限
2、3、6、7卦限
tan
A sin A cos
u1 u2
cot
A cos A sin
u2 u1
微机按照上表内容可判别信号所在的挂限，也就实现了8细分。
u1 u2
1
2
3
4
5
6
7
8
如果每个卦限细分数为N（如 N=25）则用N个存储单元固化 0°~ 45°间N个正切值,微机在此 表中查询与已计算的正切或者余 切值最接近的存储单元，如果该 存储单元是正切表的第K个单元， 则相位角的细分数x由以下公式决 定。
电阻链分相细分
信号细分与辩向电路共36页
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
信号细分与辩向电路
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
第七章 细分电路解读
• 1、原理
–输入信号
• SIN、COS信号
–将SIN、COS信号施加在电阻链两端
• 在电阻链接点上得到不同相位与幅度的信号
–整形
• 在输入信号的一个周期中得到若干计数脉冲信号
u2
R2
uo u1
R1
u2
R2
u2
uo
uo
u1
R1
ER1 R1 R 2
φ u1
a）原理图
ER 2 R1 R 2
b）矢量图
设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压u1、 u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost
uo R2 E sin t /( R1 R2 ) R1 E cost /( R1 R2 )
2 U om E R12 R2 /( R1 R2 )
arct an( R1 / R2 ) uo U om sin(t )
概述
• 信号细分电路概念： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对 周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力。 • 信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空 间上一个固定位移量。 • 电路细分原因： 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现 对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器 的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高 仪器的分辨力，就需要使用细分电路。
第七章
信号细分与辨向电路
功能
• 提高分辨力
• 对周期性测量信 号进行插值
§7.1 直传式细分电路
–四细分辨向电路 –电阻链分相细分 –微型计算机细分 –只读存储器细分
• 识别运动方向
• 识别测量信号的 相位
§7.2 平衡补偿式细分
信号细讲义分与辩向电路
u1
R1
u1
ER 2 R1 R2
不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经
逻辑电路处理即可实现细分。
测控电路
改变输入信号可改变象限：
Ⅰ： u1=Esin t，u2=Ecos t Ⅱ： u1=Ecos t ，u2=－Esin t Ⅲ： u1=－Esin t，u2=－Ecos t Ⅳ： u1=－Ecos t ，u2=Esin t
细分原理：对两路方波的突变沿进行处理（一个周期有两个突变沿），
提取四个突变沿，实现四细分。
辨向原理：根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作为判别依据。
Y B
O
VA’
VB
VB’
VA
W
BW
VA
VA
VB
VB
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测控电路
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
A
& A
R2
C2 DG4
1
A
DG2
DG8
& B
R3
C3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
& B
C4 DG9 R4
1
B
DG7
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5
A & ≥1 B B & A A & B
& A B
DG10
-
UO1 图 7 2 单 稳 四 细 分 辨 向 电
UO2 路
测控电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分
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测控电路课后习题答案
第一章绪论1-1测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？传感器的输出信号一般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测控电路将它放大，剔除噪声、选取有用信号，按照测量与控制功能的要求，进行所需演算、处理与变换，输出能控制执行机构动作的信号。
在整个测控系统中，电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。
测控电路在整个测控系统中起着十分关键的作用，测控系统、乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度是取决于测控电路。
1-2影响测控电路精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素又是最基本的，需要特别注意？影响测控电路精度的主要因素有：（1）噪声与干扰；（2）失调与漂移，主要是温漂；（3）线性度与保真度；（4）输入与输出阻抗的影响。
其中噪声与干扰，失调与漂移（含温漂）是最主要的，需要特别注意。
1-3为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求测控系统具有选取所需的信号、灵活地进行各种变换和对信号进行各种处理与运算的能力，这些工作通常由测控电路完成。
它包括：（1）模数转换与数模转换；（2）直流与交流、电压与电流信号之间的转换。
幅值、相位、频率与脉宽信号等之间的转换；（3）量程的变换；（4）选取所需的信号的能力，信号与噪声的分离，不同频率信号的分离等；（5）对信号进行处理与运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值，求导数、积分等、非线性环节的线性化处理、逻辑判断等。
1-4测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响？试述模拟式测量电路与增量码数字式测量电路的基本组成及各组成部分的作用。
随着传感器类型的不同，输入信号的类型也随之而异。
主要可分为模拟式信号与数字式信号。
随着输入信号的不同，测量电路的组成也不同。
图X1-1是模拟式测量电路的基本组成。
传感器包括它的基本转换电路，如电桥，传感器的输出已是电量（电压或电流）。
根据被测量的不同，可进行相应的量程切换。
测控的电路-信号细分和辩向第七章第一部分
细分电路的应用范围？
面向光栅, 感应同步器, 磁栅,容栅和激光干涉仪等 设备输出的周期信号
细分电路的分类？
•按工作原理分：直传式和平衡补偿式细分
•按处理信号分：调制信号和非调制信号细分
2
什么是辨向？为什么要辨向？
辨向：辨别机构的移动方向
A
B C D
E
位移传感器一般允许在正、反两个方向移动；
A'
B'
B'
Uo1 Uo2
Uo1 Uo2
正向运动（A超前B）
反向运动（ B超前A ） 8
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
• 该系列芯片具有细分与辨向功能； • 具有抗干扰设计； • 将可逆计数器设计在芯片上，芯片的集 成度高； • 简化外围电路的设计。
9
CLK
HCTL-2020具有的功能 CK 细分脉冲 计数方向 U/D 级联脉冲 CNT CAS CNTDECR
54o
= 1
3
33kΩ
24kΩ
18kΩ
56kΩ
72o
13 12
= 1
-Esinω t 144o
11
126o
10
UR
12
3+ 13
11+ 11’
13
电阻链分相细分优缺点
优点: 具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: 细分数越高所需的元器件数目也成比例地 增加，使电路变得复杂，因此电阻链细分 主要用于细分数不高的场合。
1 2 3 4 5 6 7 8
19
微机量化细分的优缺点
优点：利用判别卦限和查表实现细分，相对 来说减少了计算机运算时间，若直接算反函 u1 / u2 )或 arc cot(u1 / u2 ) 要化更多的时 数arctan( 间；通过修改程序和正切表，很容易实现高 的细分数。 缺点：需要进行软件查表，细分速度慢，主 要用于输入信号频率不高或静态测量中。
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单稳四细分辨向电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边 沿实现四细分
DG3 & A R1 1 C1 & A R2 1 C2 DG4
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5 UO1
A
DG1
DG2
R3
DG8 & B
C3 & B C4 DG9
A & ≥1 B
B & A A & B A & B DG10 UO2
只读存储器细分
加减 加 信号 发生 器 减 周 期 计 数 器 计 数 锁 存 器 . . . D9 D8
Asin
∩/#
X 只 读 存 储 器 细 分 锁 存 器
Acos
∩/#
Y
D7 D6 . . .
D0
逻辑控制器
图7-9 只读存储器细分原理图
Y 255
128
Y 128 arctg ( X 128, Y 128) X 128 Y 128 2π arctg ( X 128, Y 128) X 128 π ( X 128, Y 128) 2 3π ( X 128, Y 128) 2 Y 128 ( X 128) π arctg X 128
∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N ∞ + + N 1 2
=
1
108o
3
18o
5 6
=
1
4
0o
13 12 9 8
=
1
11
162o 18k 24k 56k 33k Ω Ω Ω Ω Ecosω t 24k 33k Ω Ω
1 B
DG6 R4 1 DG7
图7-2 单稳四 细分辨向电路
A B A'
A B A'
B'
B'
Uo1
Uo2
Uo1
Uo2
a)
b)
图7－3
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
CLK HCTL-2020具有的功能
CK
施密特 数字 触发器 滤波器 CH A
四细分 辨向电路 计数脉冲 计数方向
12/16位 可逆计数器 计数脉冲 计数方向 Q0-Q11,15
图7-4 HCTL-20XX系列集成电路细分原理图
电阻链分相细分
主要实现对正余弦模拟信号的细分 工作原理：将正余弦信号施加在电阻链 两端，在电阻链的接点上得到幅值和相 位各不相同的电信号。这些信号经整形、 脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个 周期内获得若干计数脉冲，实现细分
电阻链分相细分
1. 原理
按所处理的信号可分为调制信号 细分电路和非调制信号细分电路。
第一节 直传式细分电路
x1
xi x1 x2 xo
K1
K2
Km
图7-1
Ks=K1K2K3…Km
x o K s x i K sj x j
j 1
m
Ksj ——xo对xj的灵敏度, Ksj=Kj+1…Km
由于Ks的变化和xj的存在会使达到相同 xo所需的xi值发生变化，即使细分点的位 置发生变化。
3. 相对相位基准和移相脉冲门
a) 时钟脉冲
b) 正常分频
c) 减脉冲 d) 使d延后 减脉冲 e) 加脉冲 f) 使d前移
加脉冲
图7-15 加减脉冲改变d 原理图
n/2分频器
f0
Ux
S D C R DF
&
n/4分频器 相对相位基准
二分频器 Ud
DG1
& Fx DG2 Ux
& DG3 移相脉冲门
A 1 DG1 1 DG3 B DG5 & Uo2 R C
& A DG2
DG4 & Uo1
A B
A B
A
B
A B
A' Uo1
A' Uo1 Uo2
Uo2
当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当 B导前A 90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现 辨向。
概述
细分的基本原理： 根据周期性测量信号的波形、振幅 或者相位的变化规律，在一个周期 内进行插值，从而获得优于一个信 号周期的更高的分辨力。
概述
辨向： 由于位移传感器一般允许在正、反两个 方向移动，在进行计数和细分电路的设 计时往往要综合考虑辨向的问题。
概述
分类： 按工作原理，可分为直传式细分 和平衡补偿式细分。
微型计算机细分
原始正交信号u1=Asin和u2=Acos作为输入
过零 比较器
Asin
Acos
∩/#
辨向 电路
可逆 计数器 数字 计算机
u1
u2
∩/#
1 2 3
4 5 6 7 8
显示电路
a)
b)
图7-8 微型计算机细分 a） 电路原理图 b） 卦限图
卦限
1 2 3 4 5 6 7 8
u1的极性 u2的极性
=
1
10
12kΩ
56k 18k Ω Ω
90o
6 = 5 1 2
=
1
4
54o
1
3
33k 24k 18k 56k Ω Ω Ω Ω -Esinω t
72o
13 = 12
1
11
144o
126o
9 = 8
1
10
UR
图7-6
电压比较器一般接成施密特触发电路的形式， 使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发 电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压 大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发 点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干 扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触 发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差， 因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两 方面的因素。
C R Uj Ud Uc Uc Uj Ud R C Uj Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx b) Uj Ud Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx c) Uj ′ & DG1 & DG3 & DG2 Ud′ & DG5 FX & DG4 UX FX a)
图7-14 有门槛的鉴相电路 a) 电路图 b) 正向波形图 c) 反向波形图
0 图7-10
128
255
X
模/数转换结果与对应角度的关系
第二节 平衡补偿式细分
比较器 xi- xF Ks ∫
xi
Hale Waihona Puke +N-
xo
xF
F
图7-11 平衡式细分原理图
闭环系统的灵敏度
xo 1 KF xi F
一、相位跟踪细分
1． 原理 uj=umsin(t+j)
（7-9）
um、 ——载波信号的振幅和角频率；
Uj Ud Uc
& DG1 & DG3 & DG2 a)
& DG4 UX & DG5 FX FX
Uj Ud
Uj Ud Uc
DG1
DG2 Ux Fx
b)
a) 电路图
Uc
Uj Ud Uc DG1 DG2 Ux Fx
c)
此鉴相电路 没有门槛， 会有在平衡 点附近振摆 跟踪的问题
图７－13 鉴相电路 b) 正向波形图 c) 反向波形图
2π V fW V
(7-11)
四、频率跟踪细分——锁相倍频细
鉴相器 fi fo/n n分频器 环路滤波器 Uc 压控振荡器 fo
图7-29 锁相倍频细分原理图
此系统由四个主要部件——鉴相器、环路滤波器、 压控振荡器和n分频器组成。
跟踪误差: 锁相倍频器对输入信号的角频率的稳定 性要求相当高，它能够对输入信号相位 变化进行跟踪，但它是一个有差系统， 当fi发生变化后，为使fo/n能跟踪 fi的变化， 必须要求压控振荡器的控制电压 Uc 发生 变化，也就是说 fi 与 fo/n 之间存在不同的 相位差，这就是跟踪误差。
细分脉冲 CNT DECR 计数方向 U/D 级联脉冲 CNTCAS 12/16位 锁存器 Q0-Q7 Q0-Q11,15 D0-D11,15 INH 多路切换器 三态缓冲器 8 B0-B7 8 8 A0-A7＊ D0D7 SEL OE
CH B
SEL OE
禁止逻辑 *HCTL-2000中A4-A7接地
缺点：直传系统抗干扰能力较差，其精 度低于平衡补偿系统。
优点：直传系统没有反馈比较过程，电 路结构简单、响应速度快，有着广泛的 应用。
典型的细分电路 ☆ 四细分辨向电路 ☆ 电阻链分相细分 ☆ 微型计算机细分 ☆ 只读存储器细分
四细分辨向电路
输入信号：具有一定相位差(通常为90)的 两路方波信号。 细分的原理：基于两路方波在一个周期内 具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边 沿的处理实现四细分 辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞 后的关系作为判别依据
概述
信号细分电路概念：
信号细分电路又称插补器，是采用电路的手 段对周期性的测量信号进行插值提高仪器分 辨力。
概述
信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个 周期就对应着空间上一个固定位移 量。