摘要：介紹了以單片機為核心，通過倍頻電路實現(xiàn)的兩同頻正弦信號相位差測量的設計，并對該系統(tǒng)的硬、軟件作了比較詳盡的闡述。

    關鍵詞：單片機，倍頻電路，相位差

    1引言

    本設計目的在于測量出任意兩相同頻率正弦信號之間的相位差，并將測量結果以數(shù)字形式顯示出來。具體實現(xiàn)方法為：先通過比較電路將兩路同頻信號分別轉換為相應的脈沖信號，然后將其中的一路信號通過反相器取反后與另一路信號相與，得到一等脈寬的脈沖波形，此脈沖波形的脈寬t，即表示兩信號的相位差。將原信號對應的任意一路脈沖信號（周期為t）倍頻后，作為單片機計數(shù)器的計數(shù)脈沖，并對相位差脈沖記數(shù)，得記數(shù)值為w。設倍頻電路的倍頻系數(shù)為a，則記數(shù)脈沖周期為t／a，可得到兩信號相位差角計算公式如下：

    其中n＝360／a，n為常數(shù)，是相位測量系統(tǒng)的最小精確度。

    經(jīng)過單片機系統(tǒng)編程即可實現(xiàn)此簡單運算式，并將運算結果q送led顯示。原理框圖如圖1所示。

    2　系統(tǒng)硬件電路原理分析與設計

    整個系統(tǒng)硬件電路由比較整形電路、倍頻電路、單片機at89c51及顯示電路組成。

    2．1　比較整形電路

    電路采用電壓比較器lm339。lm339內(nèi)有4個電壓比較器，取其中的兩個比較器即可。兩路信號分別接兩個比較器同相輸入端，將反相輸入端接地，即構成過零比較電路。兩比較器輸出即轉換為脈沖信號。將其中一路脈沖通過反相器cc4069取反后與另一路信號通過與門cc4081相與，可得一等脈寬的脈沖信號，此脈寬即記載著兩輸入信號之間的相位差，我們稱之為相位差脈寬。轉換過程見圖2。

    2．2　倍頻電路

    由相位差計算公式可知，倍頻系數(shù)a越大，測量精度就越高，測量越準確。本電路采用a＝720的倍頻電路，因此相位測量精度為n＝360／720＝0．5°，可以滿足實際需要。倍頻電路由鎖相環(huán)集成電路cc4046和雙bcd（binary－codeddecimalnotation）同步加法計數(shù)器cc4518組成。電路框圖如圖3所示。

    兩片cc4518雙bcd同步加法計數(shù)器分別實現(xiàn)10分頻和72分頻。分頻器的輸出信號與鎖相環(huán)的輸入信號fi相一致時，鎖相環(huán)芯片鎖存輸出的信號頻率為fo＝afi，從而實現(xiàn)倍頻。假如輸入信號頻率fi＝50hz，則輸出頻率fo＝36khz。

    2．3　單片機處理及顯示電路

    本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和顯示控制采用at89c51單片機。原理簡圖如圖4所示。

    單片機需要處理2路輸入脈沖，分別為相位差脈沖和經(jīng)過倍頻電路得到的計數(shù)脈沖。要求在相位差脈沖為高電平時對記數(shù)脈沖進行計數(shù)，并對計數(shù)值進行軟件處理并予以顯示。因此，可將相位差脈沖作為計數(shù)器工作的門控脈沖，從at89c51的p3．2／int0管腳輸入，而將計數(shù)脈沖從p3．4／t0管腳輸入，這樣，門控制位gate0使定時器t0的啟動計數(shù)受int0的控制。當gate0和tr0均為1時，只有引腳p3．2／int0輸入為高電平，t0才允許計數(shù)。利用gate0的這個功能，可以方便地檢測出相位差脈寬的外部記數(shù)脈沖值w。

    根據(jù)計算公式q＝w×n＝0．5w即可求出相位差值。將數(shù)據(jù)q送顯示電路顯示，由于相位差值q的范圍為0～180°，考慮到可能有一位小數(shù)位（w為奇數(shù)時），因此采用4位8段led數(shù)碼管顯示。設計中將at89c51的p0口作為8段顯示的段選位，p0．0～p0．7分別對應數(shù)碼管的abcdefgh段。將p2口作為位選位，p2．0～p2．3分別對應從高到低的4位數(shù)碼管位選端，采用動態(tài)掃描顯示技術。由于該種顯示電路較為簡單，在此不再贅述。

    當單片機定時器／計數(shù)器用作計數(shù)器，來自相應的外部輸入引腳t0