专利名称：音频/超低频相位计的制作方法
技术领域：
本实用新型属于相位测量仪器，用于测量自0.00025Hz直到1MHz的两路同频正弦信号之间的相位差和频率。
目前，国内外测量音频相位通常采用以下两种方法，即填充计数法(例如天津市无线电一厂生产的BX13A型数字式相位计)和电压表法(例如美国Dranetz公司生产的305C型相位计)。测量超低频相位则采用单周期同步填充计数法(例如天津电子仪器厂生产的BO7型超低频相位计)。这三种方法各有其适用范围，电路各异，互不通用，给使用者带来了不便。音频范围的填充计数法在中频段(几百Hz到几十KHZ)具有较高的精度和分辨力。但由于没有采用同步测量技术，在测量低频(例如几十HZ)相位时，测量一次相位的时间长达几十秒，又由于钟频无法提高，使其测量高频相位的能力受到限制，一般被测频率不超过100KHZ。电压表法可以测量更高频率的相位差。频率上限可提高到1MHZ。但是由于测量低频相位时必须使用时间常数极大的低通滤波器，使测量低频相位时响应很慢，频率下限很难突破10HZ。测量超低频相位差的单周期同步填充计数法只测量一个被测信号周期，这就限制了该方法的使用范围向音频范围扩展。
本实用新型的目的是针对上述各种方法存在的问题，设计制造一种成本低、集成度高、频率范围宽(0.00025HZ～1MHZ)、测量速度快的相位计，同时兼测频率。
本实用新型采用多周期同步技术，对不同频率的被测信号、自动选择不同数目的周期个数。当被测频率低于100HZ时，采用填充计数法。当被测频率高于100HZ时，采用双积分技术将鉴相脉冲平均值转换为反向积分时间，然后采用计数法实现高频相位的测量，采用可编程计时器实现大容量计数系统以满足测量超低频相位的需要。
以下将结合附
图1对本实用新型作进一步的详细描述。
本实用新型具有三种工作模式，分别对应测量超低频相位(频率范围0.00025HZ～100HZ)，测量音频相位(频率范围100HZ～1MHZ)和测量频率(频率范围0.00025HZ～1MHZ)，它们分别由控制器〔6〕产生的三个信号PH2、PH1和FRE控制。测量超低频相位时PH2＝1，PH1＝FRE＝0，测量音频相位时PH1＝1，PH2＝FRE＝0，测量频率时FRE＝1，PH1＝PH2＝0。
测量相位时，两路周期为T的同频正弦信号A和B分别加到通道A〔1〕和通道B〔2〕，经放大和过零触发后产生方波信号A′和B′。方波A′和B′同时加到鉴相器〔3〕，产生两路同步的鉴相脉冲PHD1和PHD2，鉴相脉冲宽度为t。鉴相脉冲PHD1具有TTL逻辑电平。鉴相脉冲PHD2的高度则严格地等于基准电压VR，它的平均值与相位差φ成正比，等于VR·t／T。它们之间的时间关系见附图2。每次测量时，控制器〔6〕产生一个宽度为100毫秒的负向单次脉冲RG，称为参考门信号，RG和方波B′同时加到多周期同步电路〔5〕，在它们的共同作用下，多周期同步电路〔5〕将产生一个正向脉冲T1，称为同步闸门信号，T1与方波B′完全同步。当被测信号的频率较高时，T1的宽度与RG的宽度相差不多，並且是被测信号周期的整倍数(见附图2)。当被测信号的频率很低时，多周期同步电路〔5〕将保证T1至少等于被测信号的一个周期，多周期同步电路〔5〕是本实用新型实现多周期同步快速测量低频相位的关键。
计数系统Ⅰ〔8〕和计数系统Ⅱ〔9〕是内部结构完全相同的两个计数系统，各含32个二进位，它们的门控输入端为G，当G＝1时，计数系统对自计数端C输入的脉冲进行计数，计数结果可由总线送入微型机〔10〕进行数据处理。附图6画出了多周期同步电路〔5〕的实际电路。
时钟〔4〕产生频率为1MHZ的时钟脉冲。
当测量超低频相位时，PH2＝1，PH1＝FRE＝0。与或门电路〔11〕和〔12〕将保证两个计数系统〔8〕和〔9〕的门控信号都是T1。从计数系统Ⅱ〔9〕的计数端C输入的是时钟脉冲，而从计数系统Ⅰ〔8〕的计数端C输入的则是在鉴相脉冲PHD1为高电平期间的时钟脉冲，设在T1时间内，计数系统Ⅰ〔8〕计得的读数为N1，计数系统Ⅱ〔9〕计得的读数为N2，微型机〔10〕将按下式计算得到相位差φ。
φ＝360× (N1)/(N2)测量音频相位时，PH1＝1，PH2＝FRE＝0，双积分系统〔7〕在T1时间内对鉴相脉冲PHD2积分。在T1结束后，双积分控制电路〔15〕立即开始进行反向积分，在T1时间内积分电容上所充的电荷，通过电阻R向－VR放电，经过T2时间后，积分器〔13〕的输出电压Vo达到零值，被检零电路〔14〕检出，T2即告结束(见附图2)。反向积分时间T2与鉴相脉冲PHD2的平均值成正比，成立以下关系式T2＝T1·t／T。这是本实用新型实现高频相位测量的关键，这时与或门〔11〕和〔12〕保证计数系统〔8〕和〔9〕的计数端C输入的都是时钟脉冲。计数系统Ⅰ〔8〕的门控信号为T2，计数系统Ⅱ〔9〕的门控信号为T1，设在T1期间，计数系统Ⅱ〔9〕的读数为N2，在T2期间，计数系统Ⅰ〔8〕计得的读数为N1，微型机〔10〕将按下式计算出相位差φ。
φ＝360× (N1)/(N2)测量频率时，FRE＝1，PH1＝PH2＝0，计数系统〔8〕和〔9〕的门控信号都是T1，计数系统Ⅰ〔8〕的计数输入为方波B′，计数系统Ⅱ〔9〕的计数输入为时钟脉冲，若T1期间，计数系统Ⅰ〔8〕计得的读数为N1，计数系统Ⅱ〔9〕计得的读数为N2，微型机〔10〕将根据下式算出被测信号的频率fxfx＝ (N1)/(N2) ×1MHZ由于被测信号的频率范围变动极大，要求计数系统Ⅰ〔8〕和计数系统Ⅱ〔9〕有很大的容量，同时又要实现与微型机的接口，为此，本实用新型设计了利用廉价的可编程计时器实现的大容量计数系统。
可编程计时器是微型机的外围接口芯片，Intel公司的8253或RCA公司的CDP1878都是其典型代表，现以8253为例加以说明，在8253内部有三个彼此独立的16bit减法计数器，即计数器0，计数器1和计数器2，每个计数器有两个输入端，即时钟输入端CLK和门控信号输入端GATE，另有一个输出端OUT。任何一个计数器都可以和微型机交换数据。它们可以工作在六种不同的工作模式，完成微型机系统所需的各种定时功能，与本实用新型有关的是其中的模式5。附图3画出了模式5的时序，当某一计数器被设置工作在模式5以后，微机即将一个整数M送入附属于该计数器的寄存器中，在GATE端输入一个正脉冲门控信号之后，从CLK端输入的第一个时钟脉冲负跳变即将该计数器预置成M值，然后该计数器即在时钟脉冲驱动下进行减法计数。当计数器的内容成为零时，从OUT端输出一个负向脉冲其宽度等于时钟脉冲周期。在门控信号继续保持高电平不变的情形下，以上过程不再重复发生，因此不能完成更大容量的计数，本实用新型提出了连结8253内部几个计数器构成大容量计数系统的方法。附图4表示了用两个计数器构成计数系统的连接方法，这种连接方法也不难推广应用于由更多计数器构成的，容量更大的计数系统，附图4中计数系统由8253的计数器0〔16〕和计数器I〔20〕以及门电路组成，计数系统的门控信号输入端为G，计数输入端为C。选定计数器0〔16〕和计数器I〔20〕都工作在模式5，然后将常数M送入这两个计数器各自的寄存器中，这时它们的输出端OUT0和OUT1均处于高电平，加在G输入端的正脉冲门控信号也经过与门〔17〕和〔21〕输入到计数器0〔16〕和计数器I〔20〕的GATE输入端，加在C输入端的计数脉冲也经过与门〔18〕加在计数器0〔16〕的CLKO端，第一个到达CLKO端的计数脉冲预置计数器0〔16〕的值为M。随后，计数器0〔16〕即在计数脉冲的驱动下，从M开始进行减法计数，当计数器0〔16〕的内容减到零时，它的输出端OUT0变成低电平，这个低电平通过与门〔17〕使计数器0〔16〕的GATE0输入端也变成低电平，从C端输入的下一个计数脉冲使计数器0〔16〕的输出端OUT0恢复为高电平，计数器0〔16〕的GATEO输入端也随之成为高电平。GATEO的这个新的正跳度使计数器0〔16〕又可以再一次从M开始进行减法计数，从OUT0输出的负脉冲经过倒相器〔19〕成为驱动计数器I〔20〕的进位脉冲，计数器I〔20〕得到的第一个进位脉冲预置计数器I〔20〕的值为M，随后的进位脉冲驱动它进行减法计数，计数器0〔16〕和计数器I〔20〕都需要接受M＋2个驱动脉冲来完成一次计数循环，附图5画出了该计数系统的时间波形图，为了清楚起见，这里设M＝2，闸门信号结束后，计数器0〔16〕和计数器I〔20〕的内容可送入微型机中进行数据处理，从中算出总的计数值。
本实用新型与已有技术相比具有如下优点1.用一套电路完成了过去三种测相技术，即音频范围的填充计数法，电压表法和超低频范围的单周期同步填充计数法的全部功能。
2.测量速度快，在低频段测量一次相位的时间仅为0.1秒，而已有技术则需要36秒。
3.集成度高，用一片大规模芯片完成32位计数系统。
4.可靠性显著提高。
5.使用微机和可编程计时器，一致性好，便于批量生产，降低成本和售价。
图面说明图1、音频／超低频相位计原理图1.通道A2.通道B3.鉴相器4.时钟5.多周期同步电路6.控制器7.双积分系统8.计数系统Ⅰ9.计数系统Ⅱ10.微型机11.与或门12.与或门13.积分器14.检零器15.双积分控制电路图2、音频／超低频相位计的时间关系图图3、8253的模式5时序图图4、由两个计数器构成的计数系统16.计数器017.与门18.与门19.倒相器20.计数器121.与门图5、计数系统的时序图(设M＝3)图6、多周期同步电路22.D型触发器23.D型触发器
权利要求1.一种用于对音频/超低频相位进行同步测量的仪器，由通道A[1]、通道B[2]、鉴相器[3]、时钟[4]、多周期同步电路[5]、控制器[6]、双积分系统[7]、计数系统I[8]、计数系统Ⅱ[9]、微型机[10]、门电路[11]、门电路[12]组成。其特征在于通道A[1]和通道B[2]的输出端同时加到鉴相器[3]的输入端，通道B[2]的输出端与多周期同步电路[5]的输入端连接，多周期同步电路[5]的输出端与计数系统Ⅱ[9]的门控输入端G直接连接，多周期同步电路[5]的输出端还通过门电路[12]与计数系统I[8]的门控输入端G连接，时钟[4]的输出端直接与计数系统Ⅱ[9]的计数输入端C连接，时钟[4]的输出端还和鉴相器[3]的输出端(PHD1)同时加到门电路[11]的输入端，门电路[11]的输出端与计数系统I[8]的计数输入端C连接，计数系统I[8]和计数系统Ⅱ[9]分别与微型机[10]的总线连接。
2.根据权利要求1所述的相位计，其特征是计数系统Ⅰ〔8〕和计数系统Ⅱ〔9〕分别用可编程计时器构成，计数系统的计数输入端C和门控输入端G都和与门〔18〕的输入端相连接，与门〔18〕的输出端与可编程计时器内部的“计数器O”〔16〕的“CLKO”端连接，“计数器O”〔16〕的输出端(“OUTO”)和系统的门控输入端G都和与门〔17〕的输入端连接，与门〔17〕的输出端与“计数器O”〔16〕的“GATEO”端连接，“计数器O”〔16〕的输出端(“OUTO”)经倒相器〔19〕与可编程计时器内部的“计数器1”〔20〕的“CLK1”端连接，“计数器1”〔20〕的输出端(“OUT1”)和系统的门控输入端G都和与门〔21〕的输入端连接，与门〔21〕的输出端和“计数器1”〔20〕的“GATE1”端连接。
专利摘要音频/超低频相位计属于相位测量的仪器，它利用多周期同步技术实现了音频/超低频范围内相位的同步测量。在超低频范围内利用多周期同步填充计数法测量相位。在音频范围内利用双积分模数转换技术对鉴相脉冲的平均值进行同步测量。采用可编程计时器实现了大容量的计数系统，以满足测量超低频相位的需要。
文档编号G01R25/00GK2042599SQ88202778
公开日1989年8月9日 申请日期1988年4月12日 优先权日1988年4月12日
发明者顾慰君 申请人:天津市无线电一厂