专利名称：超低频数字相位计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基本电测量仪器，特别是一种超低频数字相位计。
现有的数字相位计系采用数字电路，不能用于超低频。例如，若要把数字跳动范围压缩10倍，则反映速度降低100倍。在5Hz上工作时要20秒反映一个数字变化。此外，这种电路的元器件太多，当用为某种仪器的指示仪表时，所用元器件数往往超过主电路。
本发明的任务是设计一种简单的相位计，要能工作到1～5Hz，而在数秒内达到准确的稳定值。
选用的原理方案是用相位-电压变换式测相位差的原理，把基准信号与被测信号的相位差转换为一个恒幅脉冲的宽度，经低通滤波而由数字电压表测量其平均值，按相位差标定之。这样就简化了结构，而把实现超低频快速测量转化为设计快速低通滤波器。
上述原理方案可参看《常用电子测量技术手册》(天津科学技术出版社，1989年8月)第138页及第319页。本发明把这原理方案实现为超低频数字相位计，关键在于用快速低通滤波器替代了其中的低通滤波器。
快速滤波器的基本原理是多级滤波器，若相邻两级之间前一级的输出阻抗远小于后一级的输入阻抗，则其相互影响可以忽略不计，其时间常数为各级时间常数之和，而滤波衰减系数为各级滤波衰减系数之积。和最小而积最大的条件是各级的时间常数相等，或接近相等。
在
图1和图2中，输入电压Vi与输出电压Vo之间的多节结构即为快速低通滤波器。由门控电路产生的宽度为τ的脉冲，用来控制主控门，使之产生恒幅为E宽度为τ的测相脉冲，经快速滤波器使其交流成份被滤除至足够小，而由数字电压表M指示其平均值，并利用调分压系数的方法使之按角度标定读数。
调分压系数的电阻支路，可以接在第一节、第二节或出端，按设计取值的方便而定。要使入端电阻足够大，而出端电阻不过大，可比较取舍。
图中使用的主控门为电子模拟开关，例如4066等。也可以使用CMOS门电路，例如4049、4050等。此时，CMOS门应采用恒定电压E供电。
图2中给出了一个门控电路的实施例。其工作过程一目了然，不必详述。SW1使基准信号移相180°。例如，当相位测量值为0或360°时可能跳动不稳或不准。移180°测量即可克服。其中F为快速滤波器，可用图1a或图1b，或两种混合使用。
图1a所示的多节RC电路，使电阻按比例3.3增大，电容相应减小，则后级的输入阻抗不小于前级输出阻抗的10倍，近似地可忽略级间的相互影响。
若限定最后1节R＝1M，则各节的R值为8.2K、27K、91K、300K、1M。
若E＝8V，M为0～360°指示，对应360°的电压为0.36V，则可取Vi入端为180K，分压支路用8.2K与1K电位器串联。
在180°时纹波电压最大，基波成份的幅值为0.36V/π≈115mV。
若要求V0中的纹波电压＜0.5mV，则要求滤波衰减为230倍。
若取每一节的滤波衰减ωRC＝3，则5节的总衰减为243倍，符合要求。
在工作频率≥5Hz时ω＝31.4，可取RC＝0.1秒，即最后一级的电容为0.1μ，向前按3.3的比例逐级增大，其总的时间常数为0.5秒，在2.5秒时达到读数误差≤0.67%，3秒内达到准确的稳定值。
当采用普通单级RC低通滤波时，在同样的5Hz上，若取RC＝0.5，则滤波能力降低15.5倍，读数跳动±8°。若取滤波能力相同，则RC＝7.74，要46秒才能达到稳定值，时间慢15.5倍。
图1b所示的单元电路其特性相当于两个RC节的级联。用它取代图1a中的两级或四级，可以使相邻两级的阻抗比增大。
使M单独供电而使其零电位为E/2，即可把测量范围改为0～±180°，可使用2伏表头。
当工作在较高频率上时，图1a所示的多节结构可以减少为四级、三级或二级。
权利要求
1.一种超低频相位计，它把两信号之间的相位差转换为一个恒幅脉冲宽度而由数字电压表按平均值测量之，其特征是在数字电压表的前面使用了多节低通滤波器。
2.由权利要求1所说的多节低通滤波器，其特征是这些低通滤波器是由电阻连接入端和出端，而在每个出端上接一个电容器旁路到公共端。
3.由权利要求1所说的多节低通滤波器，其特征是每个滤波节包含两个电阻、两个电容和一个运算放大器，由电阻连接入端和出端，出端经两个电容器分别接运算放大器的负入端和出端，第二个电阻就跨接在这两端上，运放的正端接地。
全文摘要
一种超低频数字相位计，是采用相位-电压变换式测相位差的原理，用数字电压表显示平均相位差的。由于采用了所设计的快速低通滤波器，使相位计可工作到1～5Hz而在数秒内达到稳定准确的测量值。其结构简单，准确度可以达到1°以下。
文档编号G01R25/00GK1080056SQ9210453
公开日1993年12月29日 申请日期1992年6月8日 优先权日1992年6月8日
发明者王经一 申请人:王经一