第七章-信号细分与辨向电路
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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。
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。
信号细分与辩向电路
u2 R2 uo
E R1 R1 R2
u2
uo
arctan( R1 / R2 )
输出电压的幅值与相位都与R1 u1 和R2的比值有关。
R1
ER2 R1 R 2
u1
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： Ⅱ： Ⅲ： Ⅳ： u1=Esin t，u2=Ecos t u1=Ecos t ，u2=－Esin t u1=－Esin t，u2=－Ecos t u1=－Ecos t ，u2=Esin t Ecos t φ＝0 ° ～90 ° φ＝90 ° ～180 ° φ＝180 °～270° φ＝270 ° ～360 °
72o
13 12
=
1
11
144o
126o
9 8
=
1
10
UR
图7-6
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测控电路
Esint
1 2 3 13 11 13 12 11 3 5 6 4
8
10 9 8 10
五 倍 频 细 分 电 路 的 波 形
4
测控电路
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。
返
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测控电路
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。又称插补器。 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。
测控电路第七章信号细分与辨向电路
中国计量学院
第七章 信号细分与辨向电路
计量测试工程学院 朱维斌
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。 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。
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参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
12kΩ Esinω t 12kΩ 45o 12kΩ 12kΩ Ecosω t 12kΩ 135o ∞ + 90o ∞ + 0o ∞ + 1 3
=1
A
+ N
∞ + 2 4
=1
B
+ N
+ N
12kΩ -Esinω t UR
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctanR2 30
R
R1 R2 12K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
1 60°: arctan R2 60
R
R1 R2 12K
稳态 暂态
计量测试工程学院 朱维斌
典型的积分式单稳触发器
A′ B′
正 向 运 动
第七章 信号细分与辨向电路
计量测试工程学院 朱维斌
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。 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。
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参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
12kΩ Esinω t 12kΩ 45o 12kΩ 12kΩ Ecosω t 12kΩ 135o ∞ + 90o ∞ + 0o ∞ + 1 3
=1
A
+ N
∞ + 2 4
=1
B
+ N
+ N
12kΩ -Esinω t UR
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctanR2 30
R
R1 R2 12K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
1 60°: arctan R2 60
R
R1 R2 12K
稳态 暂态
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典型的积分式单稳触发器
A′ B′
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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。
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。
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7.1 直传式细分
细分电路
平衡补偿式细分：带反馈，可实现高细分数。 x1 xi K1 x1 K2 x2 x2 Km xo
R
R1 R2 12K
R1=7.61 KΩ，R2=4.39 KΩ
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经电阻链细分后，各相信号仍是模拟信号，为实现数字化，要把它们变 换为逻辑“0”或“1”电平，这项工作由电压比较器完成。 左半部分是两个区间的细分，右边是 比较器（施密特比较器）。
设比较器输出高、低电平电压分别为UOH和UOL。
uo R2 E sin t R1 E cost R1 R2 R1 R2
2 E R12 R2
uo的幅值：u om
a) 原理图 b) 矢量图
R1 R2
R1 R2
uo的相位： arctan
图7-5 电阻链分相细分
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uo uom sin(t )
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R1 R2 U oL R1 R2 R1 R2 两个门限电压： R1 R2 U2 UR U oH R1 R2 R1 R2 U1 U R
滞后电平：
U U 2 U1
R2 (U oH U oL ) R1 R2
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电阻链5倍频细分电路
从比较器得到的10路方波信号再经 过异或门逻辑组合电路，在3′和4 ′ 端获得两路相位差为90° 的五倍频 方波信号。注意：该5倍频信号正 好满足上述四细分电路对输入信号 的要求。
直传式细分:各个环节都依次向末端传递信息，这就是直传的意思。
K1、K2、‥ ‥Km为各个环节的灵敏度 中间环节可能是波形变换电路、比较器或D/A等等。 ∴总的灵敏度：Ks=K1K2¨¨Km
越靠近输入端，越要做的精细。
直传式系统抗干扰能力差，精度低于平衡补偿式，但是速度快，简单。
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一、四细分辨向电路
-cosωt sinωt
电阻并联桥，在四个象限内依次有一个 相位差的若干输出电压。
90° ~180° 移相
~ R1 相关
R2
-Esinωt Esinωt
180° ~270° 移相
270° ~360° 移相 -Ecosωt
每一个臂上都是电位器，可以用来调整 相位。
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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。 360
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∴Uo1在正向运动时，插入了四个为零的计数脉冲，Uo2一直为高电平。
反 向 运 动
反之：反向运动时，B在A的前面，这时在Uo2中输入了四个为零的计数脉 冲，Uo1无输出，一直为高电平
∴DG5 ——Uo1 DG10——Uo2
哪一个输出关系着辨向
根据上述原理，已制成集成电路C5194、C5191
12
R2 R1
30
每个象限内相位差30°
0°:
arctan
R1 0 R2
R1 R2 12K
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 arctan 30 30°: R2
R
R1 R2 12K
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
arctan 1 60 60°: R2
电容C1开始通过电阻R1放电，当电阻两端下降到VTH时， Vo=0，退出暂态。
稳定时：VI=0，Vo1=1，Vo2=1，Vo=0 上升沿来：VI=1，Vo1=0，Vo2=1，Vo=1 稳态 典型的积分式单稳触发器 暂态
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阈值电平
A′ B′
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单稳四细分辨向电路
第1个过程： A上升沿的时候，A′产生一个窄脉冲。 B=0，B=1，DG10、DG5为与或非门。Uo1有 计数脉冲输出，Uo2无输出。 A下降沿的时候，A′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。 B上升沿的时候，B′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。 B下降沿的时候，B′产生一个窄脉冲。 同样， Uo1有计数脉冲输出，Uo2无输出。
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二、电阻链分相细分
要求信号为一对正余弦信号。
一、工作原理
在电阻链两端施加相位差90°，频率相同的相位信号，由于两信号 的叠加作用，在电阻链各接点上，可得幅值和相位都不相同的电信号， 这些信号经整形、脉冲形成后，就能获得若干个计数脉冲。 u2 E cost u1 E sin t 根据叠加原理：
第七章 信号细分与辨向电路
1
直传式细分
1.1 四细分辨向电路 1.2 电阻链分相细分
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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。
要求：输入两路具有90°相位差的方波信号。
A
B
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。 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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A在上边沿的时候，进入暂 态，触发一个窄脉冲A
~
R1 R2 相关
R1 相关 R2
uom~
所以改变R1、R2比值，就能改变φ、uom，uo是 沿u1、u2直线运动， φ=45°时，uom有最小值。
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这里讲的的是0° ~90° 第一象限的情况。
同理： cosωt -sinωt
Ecosω t 0° ~90° 移相
-sinωt -cosωt