沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 同频正弦信号间相位差测量的设计 摘 要：介绍了以单片机为核心，通过倍频电路实现的两同频正弦信号相位差测量的设计， 并对该系统的硬、软件作了比较详尽的阐述。 关键词：单片机，倍频电路，相位差 1、 引 言 本设计目的在于测量出任意两相同频率正弦信号之间的相位差，并将测量结果以数字形 式显示出来。具体实现方法为：先通过比较电路将两路同频信号分别转换为相应的脉冲信号， 然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等脉宽的脉冲波形，此 脉冲波形的脉宽 t，即表示两信号的相位差。将原信号对应的任意一路脉冲信号（周期为 T） 倍频后，作为单片机计数器的计数脉冲，并对相位差脉冲记数，得记数值为 W。设倍频电路 的倍频系数为 A，则记数脉冲周期为 T／A，可得到两信号相位差角计算公式如下： 其中 N＝360／A，N 为常数，是相位测量系统的最小精确 度。 经过 运算结果 Q 送 LED 显示。原理框图如图 1 所示。 单片机系统编程即可实现此简单运算式，并将 2、 系统硬件电路原理分析与设计 整个系统硬件电路由比较整形电 整形电路 路、倍频电路、单片机 AT89C51 及显示电路组成。 比较 电路采用电 压比较器 LM339。LM339 内有 4 个电压比较器，取其中的两个比较器即可。 两路信号分别接两个比较器同相输入端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路。两比较 器输出即转换为脉冲信号。将其中一路脉冲通过反相器 CC4069 取反后与另一路信号通过与 门 CC4081 相与，可得一等脉宽的脉冲信号，此脉宽即记载着两输入信号之间的相位差，我 们称之为相位差脉宽。转换过程见图 2。 1 

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 2．1 倍频电路 由相位差计算公式可知，倍频系数 A 越大，测量精度就越高，测量越准确。本电路采用 A＝720 的倍频电路，因此相位测量精度为 N＝360／720＝0．5°，可以满足实际需要。倍频 电路由锁相环集成电路 CC4046 和双 BCD（Binary－Coded DecimalNotation）同步加法计数 器 CC4518 组成。电路框图如图 3 所示。 两片 CC4518 双 BCD 同步加法计数器分别实现 10 分频和 72 分频。分频器的输出信号与 锁相环的输入信号 fi 相一致时，锁相环芯片锁存输出的信号频率为 fo＝Afi，从而实现倍 频。假如输入信号频率 fi＝50Hz，则输出频率 fo＝36kHz。 2．2 单片机处理及显示电路 本系统数据处理 和显示控制采用 AT89C51 单片机。原理简图如图 4 所示。 单片机需要处理 2 路输入脉冲，分别为相位差脉冲和经过倍频电路得到的计数脉冲。要 求在相位差脉冲为高电平时对记数脉冲进行计数，并对计数值进行软件处理并予以显示。因 此，可将相位差脉冲作为计数器工作的门控脉冲，从 AT89C51 的 P3．2／INT0 管脚输入，而 将计数脉冲从 P3．4／T0 管脚输入，这样，门控制位 GATE0 使定时器 T0 的启动计数受 INT0 的控制。当 GATE0 和 TR0 均为 1 时，只有引脚 P3．2／INT0 输入为高电平，T0 才允许计数。 利用 GATE0 的这个功能，可以方便地检测出相位差脉宽的外部记数脉冲值 W。 根据计算公式 Q＝W×N＝0． 5W 即可求出相位差值。将数据 Q 送显示电路显示，由于相 位差值 Q 的范围为 0～180°，考虑到可能有一位小数位（W 为奇数时），因此采用 4 位 8 段 LED 数码管显示。设计中将 AT89C51 的 P0 口作为 8 段显示的段选位，P0．0～P0．7 分别对 应数码管的 a b c d e f g h 段。将 P2 口作为位选位，P2．0～P2．3 分别对应从高到低的 4 位数码管位选端，采用动态扫描显示技术。由于该种显示电路较为简单，在此不再赘述。 当单片机定时器／计数器用作计数器，来自相应的外部输入引脚 T0 或 T1 的计数脉冲信 号产生由 1 至 0 的跳变时，计数器的值增 1。由于确定一次下跳变要花 2 个机器周期，即 24 个振荡器周期，因此，外部输入的计数脉冲最高频率为振荡器频率的 1／24。此系统采用 6MHz 的晶体振荡器，可以计算出被测信号可达到的最大频率为：6000000／24／720＝347 Hz。因 此， 3、 软件设计 本系统软件主要是对相位差脉冲进行计数，并对数值进行换算处理，同时在显示器上显 示出相位差的度数值。系统软件流程框图如图 5 所示。 此系统可测量的输入信号频率范围为：0～347Hz。 2 

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 www.symcukf.com 4、 结束语 此系统可以测量一定频率范围内两同频正弦信号之间的相位差，并能达到一稳定的测量 精度（0．5°）。在实际应用中，可以通过增加倍频电路的倍频系数来提高测量精度，单片 机系统可采用更高的晶振频率来增加频率测量范围。 参考文献 1 李 华主编．MCS－51 系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1993 2 胡汉才编著．单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，1996 3