專利名稱：超低頻數(shù)字相位計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基本電測量儀器，特別是一種超低頻數(shù)字相位計。
現(xiàn)有的數(shù)字相位計系采用數(shù)字電路，不能用于超低頻。例如，若要把數(shù)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(shù)字變化。此外，這種電路的元器件太多，當(dāng)用為某種儀器的指示儀表時，所用元器件數(shù)往往超過主電路。
本發(fā)明的任務(wù)是設(shè)計一種簡單的相位計，要能工作到1～5Hz，而在數(shù)秒內(nèi)達(dá)到準(zhǔn)確的穩(wěn)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(zhǔn)信號與被測信號的相位差轉(zhuǎn)換為一個恒幅脈沖的寬度，經(jīng)低通濾波而由數(shù)字電壓表測量其平均值，按相位差標(biāo)定之。這樣就簡化了結(jié)構(gòu)，而把實現(xiàn)超低頻快速測量轉(zhuǎn)化為設(shè)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(shù)手冊》(天津科學(xué)技術(shù)出版社，1989年8月)第138頁及第319頁。本發(fā)明把這原理方案實現(xiàn)為超低頻數(shù)字相位計，關(guān)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(yuǎn)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(shù)為各級時間常數(shù)之和，而濾波衰減系數(shù)為各級濾波衰減系數(shù)之積。和最小而積最大的條件是各級的時間常數(shù)相等，或接近相等。
在

圖1和圖2中，輸入電壓Vi與輸出電壓V0之間的多節(jié)結(jié)構(gòu)即為快速低通濾波器。由門控電路產(chǎn)生的寬度為τ的脈沖，用來控制主控門，使之產(chǎn)生恒幅為E寬度為τ的測相脈沖，經(jīng)快速濾波器使其交流成份被濾除至足夠小，而由數(shù)字電壓表M指示其平均值，并利用調(diào)分壓系數(shù)的方法使之按角度標(biāo)定讀數(shù)。
調(diào)分壓系數(shù)的電阻支路，可以接在第一節(jié)、第二節(jié)或出端，按設(shè)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(guān)，例如4066等。也可以使用CMOS門電路，例如4049、4050等。此時，CMOS門應(yīng)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(zhǔn)信號移相180°。例如，當(dāng)相位測量值為0或360°時可能跳動不穩(wěn)或不準(zhǔn)。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(jié)RC電路，使電阻按比例3.3增大，電容相應(yīng)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(jié)R＝1M，則各節(jié)的R值為8.2K、27K、91K、300K、1M。
若E＝8V，M為0～360°指示，對應(yīng)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(lián)。
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(jié)的濾波衰減ωRC＝3，則5節(jié)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(shù)為0.5秒，在2.5秒時達(dá)到讀數(shù)誤差≤0.67％，3秒內(nèi)達(dá)到準(zhǔn)確的穩(wěn)定值。
當(dāng)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(shù)跳動±8°。若取濾波能力相同，則RC＝7.74，要46秒才能達(dá)到穩(wěn)定值，時間慢15.5倍。
圖1b所示的單元電路其特性相當(dāng)于兩個RC節(jié)的級聯(lián)。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(dú)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(dāng)工作在較高頻率上時，圖1a所示的多節(jié)結(jié)構(gòu)可以減少為四級、三級或二級。
權(quán)利要求1.一種超低頻相位計，它把兩信號之間的相位差轉(zhuǎn)換為一個恒幅脈沖寬度而由數(shù)字電壓表按平均值測量之，其特征是在數(shù)字電壓表的前面使用了多節(jié)低通濾波器。
2.由權(quán)利要求1所說的超低頻相位計，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(quán)利要求1所說的超低頻相位計，其特征是每個濾波節(jié)包含兩個電阻、兩個電容和一個運(yùn)算放大器，由電阻連接入端和出端，出端經(jīng)兩個電容器分別接運(yùn)算放大器的負(fù)入端和出端，第二個電阻就跨接在這兩端上，運(yùn)放的正端接地。
專利摘要一種超低頻數(shù)字相位計，是采用相位—電壓變換式測相位差的原理，用數(shù)字電壓表顯示平均相位差的。由于采用了所設(shè)計的快速低通濾波器，使相位計可工作到1～5Hz而在數(shù)秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定準(zhǔn)確的測量值。其結(jié)構(gòu)特別簡單，準(zhǔn)確度可以達(dá)到1°以下。
文檔編號G01M1/00GK2109564SQ90223260
公開日1992年7月8日 申請日期1990年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月5日
發(fā)明者王徑一 申請人:王徑一