[发明专利]超低频数字相位计

说明书

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V_i与输出电压V_o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V_i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。