專利名稱：超低頻數字相位計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基本電測量儀器，特別是一種超低頻數字相位計。
現有的數字相位計系采用數字電路，不能用于超低頻。例如，若要把數字跳動范圍壓縮10倍，則反映速度降低100倍。在5Hz上工作時要20秒反映一個數字變化。此外，這種電路的元器件太多，當用為某種儀器的指示儀表時，所用元器件數往往超過主電路。
本發明的任務是設計一種簡單的相位計，要能工作到1～5Hz，而在數秒內達到準確的穩定值。
選用的原理方案是用相位-電壓變換式測相位差的原理，把基準信號與被測信號的相位差轉換為一個恒幅脈沖的寬度，經低通濾波而由數字電壓表測量其平均值，按相位差標定之。這樣就簡化了結構，而把實現超低頻快速測量轉化為設計快速低通濾波器。
上述原理方案可參看《常用電子測量技術手冊》(天津科學技術出版社，1989年8月)第138頁及第319頁。本發明把這原理方案實現為超低頻數字相位計，關鍵在于用快速低通濾波器替代了其中的低通濾波器。
快速濾波器的基本原理是多級濾波器，若相鄰兩級之間前一級的輸出阻抗遠小于后一級的輸入阻抗，則其相互影響可以忽略不計，其時間常數為各級時間常數之和，而濾波衰減系數為各級濾波衰減系數之積。和最小而積最大的條件是各級的時間常數相等，或接近相等。
在
圖1和圖2中，輸入電壓Vi與輸出電壓Vo之間的多節結構即為快速低通濾波器。由門控電路產生的寬度為τ的脈沖，用來控制主控門，使之產生恒幅為E寬度為τ的測相脈沖，經快速濾波器使其交流成份被濾除至足夠小，而由數字電壓表M指示其平均值，并利用調分壓系數的方法使之按角度標定讀數。
調分壓系數的電阻支路，可以接在第一節、第二節或出端，按設計取值的方便而定。要使入端電阻足夠大，而出端電阻不過大，可比較取舍。
圖中使用的主控門為電子模擬開關，例如4066等。也可以使用CMOS門電路，例如4049、4050等。此時，CMOS門應采用恒定電壓E供電。
圖2中給出了一個門控電路的實施例。其工作過程一目了然，不必詳述。SW1使基準信號移相180°。例如，當相位測量值為0或360°時可能跳動不穩或不準。移180°測量即可克服。其中F為快速濾波器，可用圖1a或圖1b，或兩種混合使用。
圖1a所示的多節RC電路，使電阻按比例3.3增大，電容相應減小，則后級的輸入阻抗不小于前級輸出阻抗的10倍，近似地可忽略級間的相互影響。
若限定最后1節R＝1M，則各節的R值為8.2K、27K、91K、300K、1M。
若E＝8V，M為0～360°指示，對應360°的電壓為0.36V，則可取Vi入端為180K，分壓支路用8.2K與1K電位器串聯。
在180°時紋波電壓最大，基波成份的幅值為0.36V/π≈115mV。
若要求V0中的紋波電壓＜0.5mV，則要求濾波衰減為230倍。
若取每一節的濾波衰減ωRC＝3，則5節的總衰減為243倍，符合要求。
在工作頻率≥5Hz時ω＝31.4，可取RC＝0.1秒，即最后一級的電容為0.1μ，向前按3.3的比例逐級增大，其總的時間常數為0.5秒，在2.5秒時達到讀數誤差≤0.67%，3秒內達到準確的穩定值。
當采用普通單級RC低通濾波時，在同樣的5Hz上，若取RC＝0.5，則濾波能力降低15.5倍，讀數跳動±8°。若取濾波能力相同，則RC＝7.74，要46秒才能達到穩定值，時間慢15.5倍。
圖1b所示的單元電路其特性相當于兩個RC節的級聯。用它取代圖1a中的兩級或四級，可以使相鄰兩級的阻抗比增大。
使M單獨供電而使其零電位為E/2，即可把測量范圍改為0～±180°，可使用2伏表頭。
當工作在較高頻率上時，圖1a所示的多節結構可以減少為四級、三級或二級。
權利要求
1.一種超低頻相位計，它把兩信號之間的相位差轉換為一個恒幅脈沖寬度而由數字電壓表按平均值測量之，其特征是在數字電壓表的前面使用了多節低通濾波器。
2.由權利要求1所說的多節低通濾波器，其特征是這些低通濾波器是由電阻連接入端和出端，而在每個出端上接一個電容器旁路到公共端。
3.由權利要求1所說的多節低通濾波器，其特征是每個濾波節包含兩個電阻、兩個電容和一個運算放大器，由電阻連接入端和出端，出端經兩個電容器分別接運算放大器的負入端和出端，第二個電阻就跨接在這兩端上，運放的正端接地。
全文摘要
一種超低頻數字相位計，是采用相位-電壓變換式測相位差的原理，用數字電壓表顯示平均相位差的。由于采用了所設計的快速低通濾波器，使相位計可工作到1～5Hz而在數秒內達到穩定準確的測量值。其結構簡單，準確度可以達到1°以下。
文檔編號G01R25/00GK1080056SQ9210453
公開日1993年12月29日 申請日期1992年6月8日 優先權日1992年6月8日
發明者王經一 申請人:王經一
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