基于单片机的简易数字相位计设计
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  • 发表时间:2019-09-23 11:56
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  基于单片机的简易数字相位计设计_电子/电路_工程科技_专业资料。维普资讯 2 2? 仪 表 技 术 20 0 7年第 7期 基 于单 片机 的简 易数 字 相 位 计设 计 孙 英晖 , 曹丽剑 ,

  维普资讯 2 2? 仪 表 技 术 20 0 7年第 7期 基 于单 片机 的简 易数 字 相 位 计设 计 孙 英晖 , 曹丽剑 , 陈孝桢 ( 南京大 学 电子科 学与工程 系 , 苏 南京 2 0 8 ) 江 10 9 摘 要 :介 绍 一 种 以单 片机 为 核 心 的 数 字相 位 计 。 由过 零 检 测 及 异 或 电路 , 两 路 输 入 信 号 的 相 位 差 转 换 成 方 波 , 利 用 单 片 将 再 机 对 该 方 波 的 高低 电平 分 别 计 数 。 过 求 得 占空 比 得 到 相 位 差 。 对 不 同频 率 的输 入 信 号 , 用不 同的 计 数 信 号 进 行 多 周 期 、 次测 通 采 多 量 求 平 均 的 计数 方法 。该 方 案 的 有 效 测 量频 域 范 围 : —1 0 H , 终 实验 电路 达 到 的 精 度 为 O 1 。 1 0k z最 度 关 键 词 :相 位 差 ; 片机 ; 单 占空 比 中 图 分 类号 :T 9 0 M 3 文献 标 识 码 :B 文 章编 号 :10 2 9 (0 7 0 0 2 0 0 6— 34 20 )7— 0 2— 3 De i n o g t lPh s t c o s d o CU sg f Di ia a e De e t r Ba e n M S N Y n -u , A iin C E i - e U igh i C O L-a , H N X a z n j o h ( eat et f lco i SineadE g er go aj gU ie i , aj g20 8 ,C ia D pr n o et nc c cn ni e nf n i nvr t N ni 109 hn ) m E r e n i N n sy n Ab ta t s r c :A sg fd gt lp a e d t co a e n M CU in rdu e n t e t e i . Th ih u h s de in o iia h s e e t rb s d o si to c d ih h ss e man t o g ti :wih t t e c o sz r ee tn n h r s -eo d t ci g a d XOR ic is h h s ifr n e o wo i p tsn inasa e c n e t d i t lesg cr u t ,t e p a ed fe e c ft t n u i e sg l r o v re n opu s i- he n 1 Th n t e p a e d f r n e i a c l td b sn h CU t o n he d t y l ft e p le Asf ri p tsg a a. e h h s i e e c sc lu ae y u i g t e M f o c u tt u y c c e o h u s . o n u i n l i i e e tfe u n y,t e fn lr s lsa q ie h o g lipe o n df r n r q e c f h ae u ti c u r d t r u h mu t- r d,mu t-i a u n t p cfc c un ig sg i i litme me s r gwih s e ii o t i - i n n 1 Th fe tv r q e c a g ft i y tms 1 —1 0k n h x e m e t la c r c s0. 。 a. e efc ie fe u n y r n e o h s s se i 0 Hz a d t e e p r i n a c u a y i 1 . Ke r y wo ds:p a e dfe e c h s i r n e; M CU ; d t y l f uy c ce l 总体 设计 该 设计 总体 电 路 框 图 如 图 1 本 设 计 的第 1 2 4 , 、 、 部分 方案易 于 确 定 , 现 较 为 容 易 , 键 是 第 3部 分 实 关 “ 方波 占空 比测 量 ’ 要 用到 单 片 机 和 较 复 杂 的外 部 ’ 需 电路 配合实现 。下 面分述 各部 分设计 方案 。 算 得 : 占空 比乘 以 10即 为两路 信号 的相 位差 。 该 8 V1 方波 信号 50 0P v2 方波 信号 异 或后的 待 测信号 t 图 2 电压 比较 器 外部 电路 图 图 3 异 或 部 分 波 形 图 1 相 位正 负判 断部 分 . 2 由上面的分析可 以看 出, 异或后得 出 的信 号不能反 映出原信号 、 的超前 、 后关 系 , 此 , 电路 中添 滞 为 在 加相位判 断模块 , 以用 D触 发器 来实 现 。如 图 4 将 可 , 。, 分别接 入 c 、 即可实现相 位的正负判 断。 l D, k 选 取单 片机 芯片 A 8 S 1 晶振 2 M z 机 器频率 T95 , 0H, 图 1 相 位 计 整 体 电 路 框 图 1 占空 比测量 部分 . 3 则 为 2 M/ 2= . MH , 0 1 16 7 z 对上 述 异 或 后 的信 号 的 占空 11 正 弦 一方波 转换 部分 . 如 图 2所示 , 为 输 入 的正 弦信 号 , V >0时 , i 当 ; 输 出高 电平 , V < 当 0时 , 输 出低 电平 , 样就 完 这 成 了对两路 模拟 正 弦信号 的数字 化 。将 两路 方波信 号 经过 异或 门 , 就提取 出其相位 差 , 图 3所示 。通过 计 如 收 稿 日期 :2 0 0 0 7— 3 比进行 测量 , 将待 测方 波 信 号 通 过单 片 机 的 I T管 脚 N 输 入 , 了使 测量 更精 确 , 用查 询 的方法对 该信 号 的 为 采 高电平 以及 整个 周期 分 别计 数 , 二者 相 除 即可 得到 其 作 者 简 介 :孙 英 晖 (9 4 )男 , 士 研 究 生 , 要 从 事 电路 与 系 统 的研 究 。 18 一 , 硕 主 维普资讯 20 0 7年第 7期 仪 表 技 术 ? 3? 2 由上定 义单 片机计 时模 式控制 字 T O M D如表 2所 一R '' 'V 1 C L C 图4 相 位 正 负判 断部 分 电路 图 示 , 由此作 为各 部 分 软件 设 计 的基 础 。在 测量 输 入 并 信 号频率 时 ,0需要 与 I T 相 接 计数 , T N1 若输 入 为低 频 信 号时 ,0又 要与 1 T k分频 电路 的输 出端相 接 , 对该 输 出计 数 。电路设 计 中采用 数据选择 器 7 L 13解 决 上 4 S5 述 问题 , 过软 件控 制单 片机 的 P — 通 2 7口, 哟 在不 同 使 的程序 执行 部分选 择正 确 的计 数脉 冲来源 。 表2 T MOD 控 制 宇 设 置 频率范围 低频部分( < 2H ) , 18 z 占空 比。为 了达到 高精 度 的要求 , 定 待测 信 号 在 一 规 个周 期 内至少 计 数 10 8 0次 ; 个 周 期 刚好 计 数 10 一 80 次 的信号频 率是 : , i. —一 H= . = = 2 H 96 z 高电平部分 整个周期部分 T 外部计数 控制字 D H . 外部计数 控制字 0 H l 0 m D 中频部分(2H ( < QH )T 1 z , 9O z l内部计数 控制字 9H . 内部计数 控制字 0H 8 0 m 9 高频部分 (0H < 90 z 力 T 内部多周期 计数 9H 0内部多周期计数 0H l 0 T 9 2。 ×1 0 M 0 _ - 80 2 单 片机软 件设计 部分 对于频率大于 , H的 信 号 , 周 期 计 数 个 数 不 足 单 10 8 0个 , 为保 证测量 精度 , 用测 量 多个 周 期 、 次 测 采 多 量求 平均 值 的计 数方 法 。对 于频率 低 于 ^ 的信 号 , 单 周期 计 数 个数 会 快 速 增 加 , 当信 号 频 率 为 1 z时 , H 单 周期计 数 个 数 即 为 机 器 频 率 16 MH , 出 了 8 S 1 .7 z 超 9 5 的 1 计数 器计 数范 围 , 6位 同时过多 的计 数个 数更增 加 了单 片机 的运 算量 , 最 终结 果 的精 度并 不 能显 著 提 而 高 , 以考虑 利用合 适 的 低频 计 数 脉 冲对 低频 信 号 计 所 数 。单 片 机 的 A E P O L / R G管 脚 ( i3 ) 正 常 情 况 Pn 0 在 下 , 出晶振 频 率 的 6分 频 信 号 , 以 对 该 信 号 进 行 输 可 1 k分频 , 以产 生低频 计 数脉 冲 , 脉冲频 率为 : 此 - 21 频率 测量 部分 . 采用 定时 闸 门计 数方法 测量 输入信 号频率 。设定 时器/ 计数 器 1为定 时方 式 , 供 2 m8 提 5 的基 准 闸门 时 间, 4 在 0倍基 准 闸门时 间 内() 定时 器/ 数器 0对 1 , s 计 外 部 脉冲进 行计 数 , 获 得 的计 数 值 即 为被 测 脉 冲信 所 号 的频 率 。定 时 器/ 数 器 1采 用 方 式 1 定 时 器 状 计 、 态 , 内部 T O控 制 启 、 ; 时 器/ 数 器 0采 用 方 由 R 停 定 计 式 1 计 数器 状 态 , T 1控 制 启 、 。 因此 T D: 、 由 R 停 MO 0 001 01 = 1 01 B 5H 。 为提 供 2 m 的 闸门时 间 , 0的计数 初值 5s T 士 了 × 33 H 而 = 33 z m =2 一 l Z :2 8 9 :5D3 36 DH 由此脉 冲一个 周期计 数 1 0 8 0次 的信号 频率 是 : : 1 0 15Hz 8 0: . ‘ 8 其 中 , =2 MH , =2 m 。该 m 值 即为 定 时 器 的 F 0 z 5s 计 数初 值 。程 序 流程 如 图 5 。 可 以满足 低 频时 的精 度要 求 。在此 计 数 脉 冲下 , 同样 对 于计数不 够 10 80的信 号 , 可采用计 数 多个 周期 的方 法 。通过上 面 的分 析 , 以得 到表 1的各 频段 计 可 数方 案 , 采用 4倍 频程是 为 了编程 上 的方 便 , 同时避 免 了计 数器计 数个 数过多 产生 的 问题 。 表 1 各 频 段 计 数 方 案 频 率 范 围( z H) l ~2 2—8 8 —3 2 3 —1 8 2 2 1 8 ~9 0 2 0 测 量 周 期 数 1 4 取 平 均 次数 计 数 范 围 1 1 6 6 4 1 1 1 6 —6 6 6 6 6 6 1 5 —1 O 0 8 5 3 o 9 0—3 6 0 .k 3. 6k~1 4k 4. 1 4k一5 6k 4. 7. 5 . 7 6k< 4 1 6 6 4 2 6 5 2 4 1 o ~7 o 8o 2 o 8 1 6 图 5 测 量 输 入 信 号 频 率 程序 流程 图 22 高 电平 、 个周 期计 数部分 . 整 由外 部引脚 I T N 1控 制 T 1计 数 器 定 时计 数 的启 维普资讯 2 4? 仪 表 技 术 一 20 0 7年第 7期 ‘ Ⅳ I 。 动 、 止 , 电平 时启 动 计数 , 电平 时停 止 计 数 。如 停 高 低 — I 果需 要计数 多个周期 , 在程 序 中定义 计 数周 期 数 变 量 , I 利用构 成循 环 , 加 计 数 , 至 计 够 足 够 的 周期 。 累 直 网 1 4 3 2 — ’ 一 程序 流程如 图 6 由于程 序 开 始 执 行 时无 法 确 定 输 入 , n J一㈣ 信号 的状态 , 了保 证恰好 在上 升沿开 始计数 , 为 程序 中 利用 查询方 式 避 免 对 开 始 不 完 整 的 高 电 平 部 分 的 计 数。 开始 f t f 硬件误差 软件 误差 图 8 计 数 误 差 分 析 图 软件 误差 : 程序从 检测 到待 测信号 的下 降沿 , 到关 闭计 数开关 T 1 需 要 占用一定 的机 器周 期 , 段 时 间 R , 这 计数器清零 ,i l n tl 口线 I 的计 数就是 产生 的软 件误 差 。对 应 相 应 的程 序 可 知 , 该段 占用 的时 间为 4 o 相 当于多 计数 4次 。软件 误 T 差仅 对高 频信 号计数 有 较 大 的影 响 , 以在 编程 中修 可 正该 误差 。 _二二[二 = 低电 I 等待 =二工二= 平l =王三_ I计器l_ 开数 _ =二匕 平 I待 电 I 等 高 f 高电平 计数 l 由于前面 的软件 编程 部分保 证 了足 够多 的计数 个 数 , 述计 数误 差对结 果 的影响是 非常小 的 , 以可 以 上 所 认定 测量 的结果 是精 确 的。 4 设 计 总 结 丽 I鲎 塑堡 I ⑨ 图 6 计 数 程序 流程 图 本设计 模拟 部分 的误差 主要 由电压 比较器 过 0判 决 的传输延 迟 时间引 起 , 路信 号 过 0检 测 的延 迟 时 两 间不 同 , 会给 下面数 字部 分 的计 算带来 误差 。为 此 , 就 选择 传输延 迟 时间更小 的电压 比较器芯 片可 以减小 模 拟部 分 的误 差 。 为 了使 测量更 精 确 , 用 查 询 的方 法进 行 整 个 周 采 期 的测 量 , 由待测方 波形成 部分 可 以看 出 , 于经过 异 对 或 门前 的任 意一路 信号 , 的高 电平 部 分就 代 表 待 测 它 信号 的整个 周期部分 , 只需将其 与 I T 故 N 0相 接 。 高电平 、 整个周 期两部 分 的计 数程序 基本 相 同 , 区 别仅 在于高 电平部 分 使用 IT 、 1输入 , 个 周 期 部 N 1T 整 分使用 IT 、 输入 , 序 中将 最后 一 个周 期 的循 环 N T O O 程 测量从 f 语句 中脱离 是 为 了减 少状 态 变化 时 的计数 o r 数字 部分 的误差 集 中在高 电平 、 个 周期 计 数 值 整 的不 准确 上 , 是 由单 片机 编程 的算法 和 C U执行 程 这 P 序 的延时 引起 的 。随着 信 号频 率 的增 加 , 当信 号 频 率 与单 片机计 数频 率可 比时 , 差 就会 明显 增 大 , 误 这也 是 制约 测 量 频 域 范 围 的 因 素 。 实 验 结 果 表 示 , 用 使 L 1 M3 1做过零 比较器 , 入信号 频 率小 于等 于 1 0 H 输 0k z 时 , 验 电路 达 到 的精 度 为 0 1度 。 当输 入 信 号 频率 实 . 大于 1 0 H 时 , 差会 快 速 增 大 。为此 , 高 单 片 机 0kz 误 提 晶振 频率 , 以有效 的提高测 量精 度和频 率范 围 。 可 误 差 , 计数 结果更 精 确 。该 部分 电路 连接 如 图 7所 使 示。 Pl 口 P } 27 . l G VCC B 2 G. 5 1 3 l C3 1 T0 N T 玎 T A 1 4 参考 文献 : [ ]何 立 民 . 片 机 高 级 教 程 [ . 京 航 空 航 天 大 学 出 版社 , 1 单 M] 北 2 0. 00 4 C 2 3 上L l 2 C . ALE/ TO P . 5 l 2C 1 Cl 2 2 l 1 7 l 2 1 CO Cl 0 l Y 2 9 CO GND2Y [ ]李 元 . 字 电路 与 逻 辑 设计 [ . 京 大 学 出 版社 ,97 2 数 M] 南 19 . [ ]康 华光 , 大 钦 . 3 陈 电子 技 术 基 础 ( 拟 部 分 ) M] 高 等 教 育 模 [ . 出 版社 ,9 9 19 . 8 S5 9 1 : 713 4 5 图 7 单 片 机 外 围电路 连 接 图 [ ]张 培 仁 , . 于 C语 言 编 程 的 MC 5 4 等 基 S一 1单 片 机 原 理 与 应 3 误 差 分 析 用[ . M] 清华 大 学 出版 社 ,0 3 20. 图 8为 简化 的误 差 分 析模 型 。误 差 主要 由硬 件 、 ( 雪 军编发 ) 许 软件 两方面 的原 因产生 。 硬 件误差 : 于图 8箭 头所示 处 , 对 计数信 号相位 略 微 的变 动 , 会产生 士1的计数 误差 。 就