实验装置制作细节

旋杆附属电路：
    下图是旋杆附属电路结构图，时钟A、分别被安装在旋杆的两端，时钟信号分别通过传输线（T）传输到混频器（F），经过低通滤波器（L）得到正弦波差频信号，经过电压比较器（E）变换成方波信号，处理器（C）是方波宽度测量记录电路。

旋杆上功能电路示意图

   旋杆上还有两组线性稳压电源，由固定在旋杆上的充电电池组供电，稳压12V提供恒温晶振电源，稳压5V提供测量处理电路电源。

旋杆空间方向（地址）识别电路：
    测量得到的方波宽度数据，是分类保存的，分类的依据就是当时旋杆的空间位置（即包含了当时时钟的运动方向信息），由于圆周被分成8等份（即8个地址），那么，记录的数据被也就分成8类。
    如下图，在旋杆上安装有光电读识器I，在固定座上安装8只挡光片S0-S7，光电读识器I每次仅经过S0时，地址复位即回到0，而经过S1-S7中的任何一个时，均使地址加1。当旋转时，将循环得到地址0、1、2、3、4、5、6、7。这些地址反应了时钟的空间运动方向。

旋杆角度识别原理
I－光电读识器；S0-7－挡光片（固定于支座上的铜片）；

转速的选取：
    为便于调节转速，我们采用皮带传动，采用齿轮传动是不合适的，一方面噪音较大，再者，会使电机和主轴转角存在某种对应关系，从而不能认为电机的脉动是随机的，显然不合理。驱动电机为额定转速为1400转/分的交流异步电机，功率为180W，功率余量较大，可以减小漏磁的干扰，电机安装位置尽量远离旋转平面，综合实际情况，取主轴转速为6转/秒，即时钟圆周运动的线速度为：V＝17m/s；
    教训：当初，为了提高线速度，我们盲目地采用高转速，导致晶振经常损坏。实际上，提高转速的同时，会导致时钟在设定的圆弧上运动时间很短，这样，比较时间缩短，并不能提高系统的分辨率。提高系统分辨率只有三个有效途径，一：提高时钟频率及稳定度；二：延长旋转半径；三：提高比较器精度。

差频频率fo的选取：
    为取得适当的观察窗口，将旋转圆周等分成8等份。如此，为了在一个弧段至少得到一个完整的差频波，差频频率应不小于8段×6转/秒＝48Hz，当然，取更高的差频频率是可以的，但是，增加了运算量。
    差频频率并非越低越好，频率过低意味着变化缓慢，这给模拟电路确定信号的边沿增加了困难，取差频频率为106Hz，此106Hz正弦波被高速电压比较器变换成方波，经过2分频，最终获得53Hz的差频方波。
    接着将53Hz差频方波送入方波宽度测量电路，测定和记录方波的宽度，宽度测量电路由高速加法计数器组成，计数器在fc＝80MHz主频的驱动下向上加1，当方波的上升沿到达，触发并行口锁定当前数据。

方波宽度测量电路：
    方波宽度测量电路框图如，并行加法计数器在80MHz主频的驱动下，不断做加1运算，在加法计数器的并行输出端口接有锁存器，锁存动作由方波触发，锁存后即通知处理器取走数据，处理器将本次数据减去上次数据即得到本次方波的净宽度数据。

方波宽度测量电路框图

    计数器为二进制24bit，所以最低允许方波频率为4.76Hz，满足实验要求。整体电路的时序关系并不复杂，关键是线路板的设计，尽量保证低阻抗和最短原则，多扇出门驱动采用辐射状连线，并且使用相同长度的驱动线，一次设计不能成功属于正常现象，相关细节难以详尽，请参考相关ECL电路设计规则。
    当方波上升沿到达时，如果加法器正在翻转期间，是不允许触发的，为了避开翻转时间，插进了了一个74F74D触发器，当方波的上升沿到达时，只是解除了D触发器的封锁，锁存动作还要等待80MHz的主频脉冲，当然，这会导致一个字的量化误差（最坏的情况），下面是测试一个固定方波的数据（十六进制）。

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    经测试，在4.30－5.56V电源电压，电路能可靠地工作。使用较低的电压，可以降低电源消耗；另一方面，可以减小翻转的过冲和振铃，从而降低对模拟电路的干扰，实际采用4.45V电压时，测量电路消耗电流约为310mA。

恒温晶振的安装
    恒温晶振到货后，即接上电源，加速其老化过程。由于旋转是在空气中运动，为保持温度恒定，旋杆两端要包裹一定厚度的保温层，直接在晶振电源引脚端并接一个1000微法电解电容和一个10微法钽电容，固定牢靠但不能用强力胶固死，以便可以调整晶振姿态。电源电池和全部测量电路均安装在旋杆的中部，恒温晶振应永远维持其供电状态，避免断电重启动过程，12V和5V电池组均工作于浮充状态。
    安装就绪后，至少老化一周以上时间，在供电状态下，调节其中一个恒温晶振的机械微调旋钮，使混频器滤波输出频率约为106Hz，并在实施调节的晶振上做好标记，如果必要，下次仍然调节此晶振，每次调节后，须再经过480小时的老化，并验证输出频率没有明显偏离。

http://www.wlsyw.com   占礼葵 2007.6.18

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