信号细分电路：提高仪器分辨率的重要方法

信号的细分电路是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，从而提高仪器分辨率的一种重要方法。按其工作原理，细分电路可分为直传式细分和平衡补偿式细分两种类型，另外还可分为模拟细分和数字细分两种类型。

（一）直传式细分

直传式细分没有反馈电路，结构简单、响应速度快、应用广泛，但抗干扰能力差。典型的直传式细分有位置直接细分、电阻链分相细分、门电路细分等。

1.位置直接细分

位置直接细分机构是一种空间细分机构。它可以是个完整的细分系统，但在多数情况下它是细分系统的前置级，如光栅传感器中按相位差为90°位置进行安装的硅光电池，把传感器输出信号在空间上离散90°，即传感器输出两路相差90°的电信号。利用这两路信号的输出，一方面利用相位前后关系实现运动方向的判别，另一方面也使得信号的分辨率直接提高了一倍。

2.电阻链分相细分

电阻链分相细分是应用很广的细分技术，通常作为系统的前置细分环节使用，主要用于对正余弦模拟信号的细分。其工作原理是：将正余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的节点上可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。

典型的电阻链分相细分电路有串联桥和并联桥，分别如图4-5和图4-6所示。图4-5为串联桥，图4-6为并联桥。桥臂接有电位器，用来调整阻值以输出所需信号相位。电位器要用低噪声、高稳定性的精密电位器，并有锁紧夹头，也可采用精密电阻，这对消除接触噪声有利。电阻链细分数一般限为10～20，有的可达50，其受限原因为：细分数越大，电阻消耗功耗越大；而且细分数受输入信号质量的限制；细分数超过50后，系统调整变得非常困难。电阻链采用阻值大的电阻可减少功耗，但要增加输出阻抗，影响下级工作，所以一般取几十千欧的电阻。如通过射极跟随器对电阻链供电，可选用小阻值电阻（如几百欧）来减少噪声。线性集成电路有很小的输出阻抗，对采用小阻值电阻有利。

图4-5　串联桥

图4-6　并联桥

3.门电路细分

两路相位差90°的正弦信号，经放大整形为两列方波u1、u2，这两个方波送入图4-7所示的反相电路，便可得到4路依次相位差90°的方波，经后继电路，就能在一个测量信号周期内获得4个计数脉冲，也就作了4细分。细分精度首先取决于原始信号的正交性，鉴零器（用于识别周期信号是否过零点的电路）的门槛差异也会造成细分误差。门电路全部采用了数字电路，所以门电路细分也是属于数字细分的一种。

4.脉冲填充法细分

这也是一种数学鉴相技术，用于测量周期信号的相位差。尺寸或角位移先转变为信号电压u的相移角（见图4-8），u再与另一路同频率、初相角为零的参考电压ru一起输入数字鉴相器。此两路信号用其整形方波的下跳沿分别触发RS触发器，可使触发器输出电压θU的脉宽等于两信号的相位差θ，在此脉宽中填入高频计数脉冲，就可根据计数脉冲的个数N来确定位移的大小。若计数脉冲的频率为信号频率的n倍，则在一个信号周期内可计n个计数脉冲，这就作了n细分。由于脉冲填充法细分属于数字细分，可达到几百以上的细分数，但更高的细分数受到原始信号的正交性、波形误差限制。

图4-7　门电路细分

图4-8　脉冲填充细分

（二）平衡补偿式细分

图4-9　平衡式细分原理图

可以看出，系统灵敏度只与反馈环节有关，平衡补偿式细分电路的细分机构其实就是反馈环节，细分数和细分精度与其他环节无关，所以平衡补偿式细分电路可以达到很高的细分精度。平衡补偿式细分电路广泛应用于标尺节距大的感应同步器、容栅仪器中，也用于磁栅、光栅式仪器中。这种细分电路是一种带负载反馈的闭环系统，并可实现很高（上千）的细分数，精度也高于直传式细分。(www.xing528.com)

1.软件细分

平衡补偿式细分中，一种典型的数字细分法是软件细分，它利用微处理器所具有的运算和逻辑功能，用软件的方法完成细分，从而简化仪器电路（硬件）结构，增强仪器功能，提高仪器精度。图4-10是一种平衡补偿式软件细分原理图。

在图4-10中，两正交原始信号u1=Asin θ和u2=Acosθ，分别经各自的A-D转换器将模拟量变为数字量，再经接口电路进入软件细分。微处理器通过判别两信号的极性和绝对值大小，实现8细分。在图4-11中有u1和u2的波形，图中把一个信号周期划分成8个区间，或称卦限，每封45°。由图4-11可列出8个卦限中两信号的极性和绝对值大小见表4-2。

图4-10　平衡补偿式软件细分原理图

图4-11　u1和u2的波形

表4-2　8个卦限中两信号的极性和绝对值大小

软件按表4-2所列内容就可判别信号所在卦限，也就实现了8细分。判别卦限也可用硬件实现，但电路结构复杂。在一个卦限内u1按信号绝对值比值实现25细分，即

上述软件细分方案，通过改变软件设计，可以按跟踪细分工作，也可按程序平衡细分工作，通过改变硬件和软件设计，还可使它不仅可按幅值（比）细分，还可按相位或频率细分。原始信号的不正交、幅值不等、相位、谐波等符合简谐运动规律的误差也可由软件进行系统误差的修正，可实现很好的细分精度。如可以利用质量好的粗光栅，经过软件消除系统误差并细分后，达到数十到100nm级的精度。

2.相位跟踪细分

相位跟踪细分是一种典型的模拟细分。鉴相型感应同步器采用相应跟踪细分系统。如图4-12所示，两路同频率、同幅度的正交电压us=Umsinωt和uc=Umcosωt接在感应同步器滑尺的正、余弦绕组上，在定尺下就有感应电势e产生，即

e=KvUmsin(ωt+2πx/W)=KvUmsin(ωt +θf)

式中，Kv为电压传输系数；x为滑尺位移；W为定尺节距；θf=2πx/W 为定滑尺相对位移相位角。

输出e为相位调制波，位移x的变动引起相位角θi的变动。e经放大、整形为方波后送入鉴相电路，使其与分频器输出的补偿信号θd进行比较，当偏差信号θj-θd 超过门槛时，移相脉冲门打开，输出移相脉冲，此脉冲改变相对相位基准的输出θd，使θd跟踪θj，当θj=θd 时，系统平衡，关闭移相脉冲门，停发移相脉冲。此时显示电路显示的示值代表位移x，因为移相脉冲也同时输入显示电路。在相位跟踪细分中，相对相位基准是系统的反馈环节，也即细分机构，所以其分频数等于细分数。

图4-12　相位跟踪框图

平衡补偿式细分还有幅值跟踪细分等。