同頻正弦信號間相位差測量的設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)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(jié)果以數(shù)字形式顯示出來。具體實(shí)現(xiàn)方法為：先通過比較電路將兩路同頻信號分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(yīng)的任意一路脈沖信號（周期為T）倍頻后，作為單片機(jī)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，并對相位差脈沖記數(shù)，得記數(shù)值為W。設(shè)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(jì)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(jī)系統(tǒng)編程即可實(shí)現(xiàn)此簡單運(yùn)算式，并將運(yùn)算結(jié)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(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)硬件電路由比較整形電路、倍頻電路、單片機(jī)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(gè)電壓比較器，取其中的兩個(gè)比較器即可。兩路信號分別接兩個(gè)比較器同相輸入端，將反相輸入端接地，即構(gòu)成過零比較電路。兩比較器輸出即轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程見圖2。
由相位差計(jì)算公式可知，倍頻系數(shù)A越大，測量精度就越高，測量越準(zhǔn)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(shí)際需要。倍頻電路由鎖相環(huán)集成電路CC4046和雙BCD（Binary－Coded DecimalNotation）同步加法計(jì)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(jì)數(shù)器分別實(shí)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(shí)，鎖相環(huán)芯片鎖存輸出的信號頻率為fo＝Afi，從而實(shí)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(jī)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(jī)。原理簡圖如圖4所示。
單片機(jī)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(jì)數(shù)脈沖。要求在相位差脈沖為高電平時(shí)對記數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對計(jì)數(shù)值進(jìn)行軟件處理并予以顯示。因此，可將相位差脈沖作為計(jì)數(shù)器工作的門控脈沖，從AT89C51的P3．2／INT0管腳輸入，而將計(jì)數(shù)脈沖從P3．4／T0管腳輸入，這樣，門控制位GATE0使定時(shí)器T0的啟動(dòng)計(jì)數(shù)受INT0的控制。當(dāng)GATE0和TR0均為1時(shí)，只有引腳P3．2／INT0輸入為高電平，T0才允許計(jì)數(shù)。利用GATE0的這個(gè)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(jì)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(shí)），因此采用4位8段LED數(shù)碼管顯示。設(shè)計(jì)中將AT89C51的P0口作為8段顯示的段選位，P0．0～P0．7分別對應(yīng)數(shù)碼管的a b c d e f g h段。將P2口作為位選位，P2．0～P2．3分別對應(yīng)從高到低的4位數(shù)碼管位選端，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)。由于該種顯示電路較為簡單，在此不再贅述。
當(dāng)單片機(jī)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器用作計(jì)數(shù)器，來自相應(yīng)的外部輸入引腳T0或T1的計(jì)數(shù)脈沖信號產(chǎn)生由1至0的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器的值增1。由于確定一次下跳變要花2個(gè)機(jī)器周期，即24個(gè)振蕩器周期，因此，外部輸入的計(jì)數(shù)脈沖最高頻率為振蕩器頻率的1／24。此系統(tǒng)采用6MHz的晶體振蕩器，可以計(jì)算出被測信號可達(dá)到的最大頻率為：6000000／24／720＝347 Hz。因此，此系統(tǒng)可測量的輸入信號頻率范圍為：0～347Hz。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件主要是對相位差脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對數(shù)值進(jìn)行換算處理，同時(shí)在顯示器上顯示出相位差的度數(shù)值。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖5所示。
4 結(jié)束語
此系統(tǒng)可以測量一定頻率范圍內(nèi)兩同頻正弦信號之間的相位差，并能達(dá)到一穩(wěn)定的測量精度（0．5°）。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過增加倍頻電路的倍頻系數(shù)來提高測量精度，單片機(jī)系統(tǒng)可采用更高的晶振頻率來增加頻率測量范圍。
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