專利名稱：音頻/超低頻相位計的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于相位測量儀器，用于測量自0.00025Hz直到1MHz的兩路同頻正弦信號之間的相位差和頻率。
目前，國內(nèi)外測量音頻相位通常采用以下兩種方法，即填充計數(shù)法(例如天津市無線電一廠生產(chǎn)的BX13A型數(shù)字式相位計)和電壓表法(例如美國Dranetz公司生產(chǎn)的305C型相位計)。測量超低頻相位則采用單周期同步填充計數(shù)法(例如天津電子儀器廠生產(chǎn)的BO7型超低頻相位計)。這三種方法各有其適用范圍，電路各異，互不通用，給使用者帶來了不便。音頻范圍的填充計數(shù)法在中頻段(幾百Hz到幾十KHZ)具有較高的精度和分辨力。但由于沒有采用同步測量技術，在測量低頻(例如幾十HZ)相位時，測量一次相位的時間長達幾十秒，又由于鐘頻無法提高，使其測量高頻相位的能力受到限制，一般被測頻率不超過100KHZ。電壓表法可以測量更高頻率的相位差。頻率上限可提高到1MHZ。但是由于測量低頻相位時必須使用時間常數(shù)極大的低通濾波器，使測量低頻相位時響應很慢，頻率下限很難突破10HZ。測量超低頻相位差的單周期同步填充計數(shù)法只測量一個被測信號周期，這就限制了該方法的使用范圍向音頻范圍擴展。
本實用新型的目的是針對上述各種方法存在的問題，設計制造一種成本低、集成度高、頻率范圍寬(0.00025HZ～1MHZ)、測量速度快的相位計，同時兼測頻率。
本實用新型采用多周期同步技術，對不同頻率的被測信號、自動選擇不同數(shù)目的周期個數(shù)。當被測頻率低于100HZ時，采用填充計數(shù)法。當被測頻率高于100HZ時，采用雙積分技術將鑒相脈沖平均值轉換為反向積分時間，然后采用計數(shù)法實現(xiàn)高頻相位的測量，采用可編程計時器實現(xiàn)大容量計數(shù)系統(tǒng)以滿足測量超低頻相位的需要。
以下將結合附
圖1對本實用新型作進一步的詳細描述。
本實用新型具有三種工作模式，分別對應測量超低頻相位(頻率范圍0.00025HZ～100HZ)，測量音頻相位(頻率范圍100HZ～1MHZ)和測量頻率(頻率范圍0.00025HZ～1MHZ)，它們分別由控制器〔6〕產(chǎn)生的三個信號PH2、PH1和FRE控制。測量超低頻相位時PH2＝1，PH1＝FRE＝0，測量音頻相位時PH1＝1，PH2＝FRE＝0，測量頻率時FRE＝1，PH1＝PH2＝0。
測量相位時，兩路周期為T的同頻正弦信號A和B分別加到通道A〔1〕和通道B〔2〕，經(jīng)放大和過零觸發(fā)后產(chǎn)生方波信號A′和B′。方波A′和B′同時加到鑒相器〔3〕，產(chǎn)生兩路同步的鑒相脈沖PHD1和PHD2，鑒相脈沖寬度為t。鑒相脈沖PHD1具有TTL邏輯電平。鑒相脈沖PHD2的高度則嚴格地等于基準電壓VR，它的平均值與相位差φ成正比，等于VR·t／T。它們之間的時間關系見附圖2。每次測量時，控制器〔6〕產(chǎn)生一個寬度為100毫秒的負向單次脈沖RG，稱為參考門信號，RG和方波B′同時加到多周期同步電路〔5〕，在它們的共同作用下，多周期同步電路〔5〕將產(chǎn)生一個正向脈沖T1，稱為同步閘門信號，T1與方波B′完全同步。當被測信號的頻率較高時，T1的寬度與RG的寬度相差不多，並且是被測信號周期的整倍數(shù)(見附圖2)。當被測信號的頻率很低時，多周期同步電路〔5〕將保證T1至少等于被測信號的一個周期，多周期同步電路〔5〕是本實用新型實現(xiàn)多周期同步快速測量低頻相位的關鍵。
計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕和計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕是內(nèi)部結構完全相同的兩個計數(shù)系統(tǒng)，各含32個二進位，它們的門控輸入端為G，當G＝1時，計數(shù)系統(tǒng)對自計數(shù)端C輸入的脈沖進行計數(shù)，計數(shù)結果可由總線送入微型機〔10〕進行數(shù)據(jù)處理。附圖6畫出了多周期同步電路〔5〕的實際電路。
時鐘〔4〕產(chǎn)生頻率為1MHZ的時鐘脈沖。
當測量超低頻相位時，PH2＝1，PH1＝FRE＝0。與或門電路〔11〕和〔12〕將保證兩個計數(shù)系統(tǒng)〔8〕和〔9〕的門控信號都是T1。從計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕的計數(shù)端C輸入的是時鐘脈沖，而從計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕的計數(shù)端C輸入的則是在鑒相脈沖PHD1為高電平期間的時鐘脈沖，設在T1時間內(nèi)，計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕計得的讀數(shù)為N1，計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕計得的讀數(shù)為N2，微型機〔10〕將按下式計算得到相位差φ。
φ＝360× (N1)/(N2)測量音頻相位時，PH1＝1，PH2＝FRE＝0，雙積分系統(tǒng)〔7〕在T1時間內(nèi)對鑒相脈沖PHD2積分。在T1結束后，雙積分控制電路〔15〕立即開始進行反向積分，在T1時間內(nèi)積分電容上所充的電荷，通過電阻R向－VR放電，經(jīng)過T2時間后，積分器〔13〕的輸出電壓Vo達到零值，被檢零電路〔14〕檢出，T2即告結束(見附圖2)。反向積分時間T2與鑒相脈沖PHD2的平均值成正比，成立以下關系式T2＝T1·t／T。這是本實用新型實現(xiàn)高頻相位測量的關鍵，這時與或門〔11〕和〔12〕保證計數(shù)系統(tǒng)〔8〕和〔9〕的計數(shù)端C輸入的都是時鐘脈沖。計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕的門控信號為T2，計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕的門控信號為T1，設在T1期間，計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕的讀數(shù)為N2，在T2期間，計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕計得的讀數(shù)為N1，微型機〔10〕將按下式計算出相位差φ。
φ＝360× (N1)/(N2)測量頻率時，F(xiàn)RE＝1，PH1＝PH2＝0，計數(shù)系統(tǒng)〔8〕和〔9〕的門控信號都是T1，計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕的計數(shù)輸入為方波B′，計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕的計數(shù)輸入為時鐘脈沖，若T1期間，計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕計得的讀數(shù)為N1，計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕計得的讀數(shù)為N2，微型機〔10〕將根據(jù)下式算出被測信號的頻率fxfx＝ (N1)/(N2) ×1MHZ由于被測信號的頻率范圍變動極大，要求計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕和計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕有很大的容量，同時又要實現(xiàn)與微型機的接口，為此，本實用新型設計了利用廉價的可編程計時器實現(xiàn)的大容量計數(shù)系統(tǒng)。
可編程計時器是微型機的外圍接口芯片，Intel公司的8253或RCA公司的CDP1878都是其典型代表，現(xiàn)以8253為例加以說明，在8253內(nèi)部有三個彼此獨立的16bit減法計數(shù)器，即計數(shù)器0，計數(shù)器1和計數(shù)器2，每個計數(shù)器有兩個輸入端，即時鐘輸入端CLK和門控信號輸入端GATE，另有一個輸出端OUT。任何一個計數(shù)器都可以和微型機交換數(shù)據(jù)。它們可以工作在六種不同的工作模式，完成微型機系統(tǒng)所需的各種定時功能，與本實用新型有關的是其中的模式5。附圖3畫出了模式5的時序，當某一計數(shù)器被設置工作在模式5以后，微機即將一個整數(shù)M送入附屬于該計數(shù)器的寄存器中，在GATE端輸入一個正脈沖門控信號之后，從CLK端輸入的第一個時鐘脈沖負跳變即將該計數(shù)器預置成M值，然后該計數(shù)器即在時鐘脈沖驅動下進行減法計數(shù)。當計數(shù)器的內(nèi)容成為零時，從OUT端輸出一個負向脈沖其寬度等于時鐘脈沖周期。在門控信號繼續(xù)保持高電平不變的情形下，以上過程不再重復發(fā)生，因此不能完成更大容量的計數(shù)，本實用新型提出了連結8253內(nèi)部幾個計數(shù)器構成大容量計數(shù)系統(tǒng)的方法。附圖4表示了用兩個計數(shù)器構成計數(shù)系統(tǒng)的連接方法，這種連接方法也不難推廣應用于由更多計數(shù)器構成的，容量更大的計數(shù)系統(tǒng)，附圖4中計數(shù)系統(tǒng)由8253的計數(shù)器0〔16〕和計數(shù)器I〔20〕以及門電路組成，計數(shù)系統(tǒng)的門控信號輸入端為G，計數(shù)輸入端為C。選定計數(shù)器0〔16〕和計數(shù)器I〔20〕都工作在模式5，然后將常數(shù)M送入這兩個計數(shù)器各自的寄存器中，這時它們的輸出端OUT0和OUT1均處于高電平，加在G輸入端的正脈沖門控信號也經(jīng)過與門〔17〕和〔21〕輸入到計數(shù)器0〔16〕和計數(shù)器I〔20〕的GATE輸入端，加在C輸入端的計數(shù)脈沖也經(jīng)過與門〔18〕加在計數(shù)器0〔16〕的CLKO端，第一個到達CLKO端的計數(shù)脈沖預置計數(shù)器0〔16〕的值為M。隨后，計數(shù)器0〔16〕即在計數(shù)脈沖的驅動下，從M開始進行減法計數(shù)，當計數(shù)器0〔16〕的內(nèi)容減到零時，它的輸出端OUT0變成低電平，這個低電平通過與門〔17〕使計數(shù)器0〔16〕的GATE0輸入端也變成低電平，從C端輸入的下一個計數(shù)脈沖使計數(shù)器0〔16〕的輸出端OUT0恢復為高電平，計數(shù)器0〔16〕的GATEO輸入端也隨之成為高電平。GATEO的這個新的正跳度使計數(shù)器0〔16〕又可以再一次從M開始進行減法計數(shù)，從OUT0輸出的負脈沖經(jīng)過倒相器〔19〕成為驅動計數(shù)器I〔20〕的進位脈沖，計數(shù)器I〔20〕得到的第一個進位脈沖預置計數(shù)器I〔20〕的值為M，隨后的進位脈沖驅動它進行減法計數(shù)，計數(shù)器0〔16〕和計數(shù)器I〔20〕都需要接受M＋2個驅動脈沖來完成一次計數(shù)循環(huán)，附圖5畫出了該計數(shù)系統(tǒng)的時間波形圖，為了清楚起見，這里設M＝2，閘門信號結束后，計數(shù)器0〔16〕和計數(shù)器I〔20〕的內(nèi)容可送入微型機中進行數(shù)據(jù)處理，從中算出總的計數(shù)值。
本實用新型與已有技術相比具有如下優(yōu)點1.用一套電路完成了過去三種測相技術，即音頻范圍的填充計數(shù)法，電壓表法和超低頻范圍的單周期同步填充計數(shù)法的全部功能。
2.測量速度快，在低頻段測量一次相位的時間僅為0.1秒，而已有技術則需要36秒。
3.集成度高，用一片大規(guī)模芯片完成32位計數(shù)系統(tǒng)。
4.可靠性顯著提高。
5.使用微機和可編程計時器，一致性好，便于批量生產(chǎn)，降低成本和售價。
圖面說明圖1、音頻／超低頻相位計原理圖1.通道A2.通道B3.鑒相器4.時鐘5.多周期同步電路6.控制器7.雙積分系統(tǒng)8.計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ9.計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ10.微型機11.與或門12.與或門13.積分器14.檢零器15.雙積分控制電路圖2、音頻／超低頻相位計的時間關系圖圖3、8253的模式5時序圖圖4、由兩個計數(shù)器構成的計數(shù)系統(tǒng)16.計數(shù)器017.與門18.與門19.倒相器20.計數(shù)器121.與門圖5、計數(shù)系統(tǒng)的時序圖(設M＝3)圖6、多周期同步電路22.D型觸發(fā)器23.D型觸發(fā)器
權利要求1.一種用于對音頻/超低頻相位進行同步測量的儀器，由通道A[1]、通道B[2]、鑒相器[3]、時鐘[4]、多周期同步電路[5]、控制器[6]、雙積分系統(tǒng)[7]、計數(shù)系統(tǒng)I[8]、計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ[9]、微型機[10]、門電路[11]、門電路[12]組成。其特征在于通道A[1]和通道B[2]的輸出端同時加到鑒相器[3]的輸入端，通道B[2]的輸出端與多周期同步電路[5]的輸入端連接，多周期同步電路[5]的輸出端與計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ[9]的門控輸入端G直接連接，多周期同步電路[5]的輸出端還通過門電路[12]與計數(shù)系統(tǒng)I[8]的門控輸入端G連接，時鐘[4]的輸出端直接與計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ[9]的計數(shù)輸入端C連接，時鐘[4]的輸出端還和鑒相器[3]的輸出端(PHD1)同時加到門電路[11]的輸入端，門電路[11]的輸出端與計數(shù)系統(tǒng)I[8]的計數(shù)輸入端C連接，計數(shù)系統(tǒng)I[8]和計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ[9]分別與微型機[10]的總線連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的相位計，其特征是計數(shù)系統(tǒng)Ⅰ〔8〕和計數(shù)系統(tǒng)Ⅱ〔9〕分別用可編程計時器構成，計數(shù)系統(tǒng)的計數(shù)輸入端C和門控輸入端G都和與門〔18〕的輸入端相連接，與門〔18〕的輸出端與可編程計時器內(nèi)部的“計數(shù)器O”〔16〕的“CLKO”端連接，“計數(shù)器O”〔16〕的輸出端(“OUTO”)和系統(tǒng)的門控輸入端G都和與門〔17〕的輸入端連接，與門〔17〕的輸出端與“計數(shù)器O”〔16〕的“GATEO”端連接，“計數(shù)器O”〔16〕的輸出端(“OUTO”)經(jīng)倒相器〔19〕與可編程計時器內(nèi)部的“計數(shù)器1”〔20〕的“CLK1”端連接，“計數(shù)器1”〔20〕的輸出端(“OUT1”)和系統(tǒng)的門控輸入端G都和與門〔21〕的輸入端連接，與門〔21〕的輸出端和“計數(shù)器1”〔20〕的“GATE1”端連接。
專利摘要音頻/超低頻相位計屬于相位測量的儀器，它利用多周期同步技術實現(xiàn)了音頻/超低頻范圍內(nèi)相位的同步測量。在超低頻范圍內(nèi)利用多周期同步填充計數(shù)法測量相位。在音頻范圍內(nèi)利用雙積分模數(shù)轉換技術對鑒相脈沖的平均值進行同步測量。采用可編程計時器實現(xiàn)了大容量的計數(shù)系統(tǒng)，以滿足測量超低頻相位的需要。
文檔編號G01R25/00GK2042599SQ88202778
公開日1989年8月9日 申請日期1988年4月12日 優(yōu)先權日1988年4月12日
發(fā)明者顧慰君 申請人:天津市無線電一廠