基于单片机控制的低频数字式相位测试仪文档

1、目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc167940019 第一章 绪论 PAGEREF _Toc167940019 h 1 HYPERLINK l _Toc167940020 相位差测量概述3 HYPERLINK l _Toc167940022 1.2课题研究主要内容 PAGEREF _Toc167940022 h 4 HYPERLINK l _Toc167940023 第二章 相位差测量基础理论4 HYPERLINK l _Toc167940024 相位差测量原理4 HYPERLINK l _Toc167940025 系统工作原理 PAGEREF _Toc1

2、67940025 h 5 HYPERLINK l _Toc167940026 第三章 系统外围电路的设计6 HYPERLINK l _Toc167940027 硬件方案设计与器件选择6 HYPERLINK l _Toc167940028 3.1.1 整形电路 PAGEREF _Toc167940028 h 7 HYPERLINK l _Toc167940029 3.1.2 高频脉冲产生电路7 HYPERLINK l _Toc167940030 3.1.3 异或门鉴相电路8 HYPERLINK l _Toc167940031 3.1.4 复合门8 HYPERLINK l _Toc16794003

3、2 .5相位超前或滞后判断模块9 HYPERLINK l _Toc167940033 3.1.6 显示电路9 HYPERLINK l _Toc167940035 3.1.7测试用移相电路的设计10 HYPERLINK l _Toc167940036 外围电路方案总结11 HYPERLINK l _Toc167940037 第四章 系统软件12 HYPERLINK l _Toc167940038 软件设计理论依据13 HYPERLINK l _Toc167940039 系统软件13 HYPERLINK l _Toc167940040 主程序流程图及其思想13 HYPERLINK l _Toc16

4、7940041 4.2.2 T1中断服务子程序14 HYPERLINK l _Toc167940042 运算子程序流程图及其思想14 HYPERLINK l _Toc167940043 十六进制数转换为BCD码子程序15 HYPERLINK l _Toc167940044 显示子程序15 HYPERLINK l _Toc167940045 定时/计数器工作部分及相关问题16 HYPERLINK l _Toc167940046 定时/计数器工作部分16 HYPERLINK l _Toc167940063 第五章 结论16 HYPERLINK l _Toc167940064 5.1结论16基于单片

5、机控制的低频数字式相位测试仪摘 要在实际工作中，经常需要研究诸如放大器、滤波器等各种器件的频率特性，即输出输入信号间幅度比随频率的变化关系（即幅频特性）和输出输入信号间相位差随频率的变化关系（即相频特性）。尤其在图像信号传输与处理、多元信号的相干接受等学科领域，研究网络（或系统）的相频特性显得更为重要。相位差测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。测量相位差的方法有很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压再换算为相位差；与标准移相器的比较等。本设计提出了一

6、种基于A T89C52 单片机开发的低频数字相位测量仪的设计。系统以单片机A T89C52为核心，构成完备的测量系统。可以对10 Hz20 kHz 频率范围的信号进行频率、相位等参数的精确测量；测相绝对误差不大1；采用数码管显示被测信号相位差。硬件结构简单。软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。关键词：相位测量；单片机；低频；集成电路实验平台：单片机，Proteus6.0 ，Wave6000第一章 绪论振幅、频率和相位是描述正弦信号（交流电）的三个“要素”。以电压为例，其函数关系为式中：为电压的振幅；为角频率；为初相位

7、。设，称瞬时相位，它随时间改变，即是时刻的瞬时相位差。两个角频率为、的正弦信号分别为它们的瞬时相位差显然，两个角频率不相等的正弦信号之间的瞬时相位差是时间的函数，它随时间改变而改变。当两正弦信号的角频率时，则有由此可见，两个频率相同的正弦信号间的相位差是常数，并等于两正弦信号的初相之差。在实际工作中，经常需要研究诸如放大器、滤波器、各种器件等的频率特性，即输出输入信号间幅度比随频率的变化关系（即幅频特性）和输出输入信号间相位差随频率的变化（即相频特性）。尤其在图像信号传输与处理、多元信号的相干接受等学科领域，研究网络（或系统）的相频特性显得更为重要。相位差测量是研究网络相频特性中必不可少的重要

8、方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。测量相位差的方法有很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压在换算为相位差；与标准移相器的比较（零示法）等。1.2课题研究主要内容设计制作基于单片机控制的低频数字式相位测量仪，能够实现相位测量。基本要求a频率范围：1Hz100kHz。b相位测量仪的输入阻抗100k 。c允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V5V范围内变化。d相位测量绝对误差1。e具有频率测量及数字显示功能。f相位差数字显示：相位读数为0o359.9o，分辨率。第二章 相位差测量基础理论相

9、位差测量原理图2-1 相位测量原理图两个同频率正弦信号的相位差可以用二者过零点的时间来表示，现要测同频（周期为T）正弦信号e1(t)和e2(t)的相位差，假设e1(t)过零点的时间为t1，e2(t)过零点的时间为t2 。则= t2- t1,即为相位差宽度，则相位差为：2.2系统工作原理 原理分析：80C52单片机具有两个16 位的定时器/计数器T1 和T0，单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关与被测信号的跳变沿同步；利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序，并实现测量结果的高精度显示。显 示 器e1(t)整形电路显 示 器e1(t)整形电路T08052T1 INT1高频时钟脉冲高频时

10、钟脉冲异或门异或门复合门复合门相位超前滞后判断电路e相位超前滞后判断电路e2(t)整形电路整形电路图2-2 原理框图图2是基于8052单片机的相位测量的原理框图，其基本原理是将相位差转化为时间，然后用单片机来测量时间间隔。如图所示，e1(t), e2(t)为两同频率的正弦信号，经整形电路后形成方波，方波的上升沿和下降沿分别与振荡信号（正弦信号）的正负过零点对应。整形电路的输出，一路送异或门，一路送相位超前滞后判断电路。两路方波信号送入异或门后，输出的矩形脉冲的宽度与相位成比例关系。在复合门上用高频时钟脉冲对相位进行刻度，即用异或门的输出脉冲来控制周期固定的高频时钟脉冲从复合门的通过。复合门的输

11、出送入，由内部定时/计数器T1计数时间内，通过复合门的时标个数N。定时/计数器T1的启动和停止取决于INT1引脚的信号，当INT1由低电平变为高电平时，开始计数；当INT1由高电平变为低电平时，停止计数器，而INT1引脚的信号来自异或门的输出，即用异或门的输出信号控制定时/计数器T1的启动和停止。在闸门控制时间内的计数值N正比于，这样相位的测量就转化为数字化的时间测量；同时经整形后信号中的任意一路送入单片机的内部定时/计数器T0，使用T0测出输入信号的频率；另一路送入相位超前滞后判断电路，用来区分两路同频信号相位的超前与滞后关系。第三章 系统外围电路的设计3.1硬件方案设计与器件选择3.1.1

12、 整形电路一、整形电路用LM339构成的电压比较电路组成。对于不同幅值（1V5V）的待测信号，将待测信号接入，LM339比较器组成电压比较器，用于检测信号过0点，将正弦波整形为方波，可以很好地达到设计需求。使用此方法设计的整形电路简单，易于实现，且较符合设计任务的要求。电路图原理图如图3-2所示。图3-2 波形整形电路二、采用施密特触发电路（又称迟滞比较电路），完成对输入正弦信号的整形。因施密特触发器能滤除干扰噪声而获得很广泛的运用。在一些应用场合中，特别在某些模/数转换电路中，迟滞比较器作为抗干扰的比较器应用较多。为了获得更好的转换效果，需要较好地选择迟滞比较器正端输入的基准电压。而信号的未

13、知为确定基准电压带来麻烦。整形电路前端有AD620组成，AD620是一个高性能的放大器，资料显示，它只须外接一个电阻，即可实现增益在11 000内的调节。当增益为1时，不需外接电阻，且阻抗可以达到10M. 用AD620可实现对弱小信号的放大整形。 LM334比较器组成施密特电压比较器，用于检测信号过0点，将正弦波整形为方波。AD620一般用于对噪声和干扰要求比较高的场合，但AD620的购买价格较高。通过分析研究，用LM339构成的电压比较电路构成整形电路，是一种较为理想的设计。3.1.2 高频脉冲产生电路一、高频脉冲信号由稳定度高的石英进晶体振荡器构成。由振荡频率为确定的石英进晶体为核心，附以

14、非门，形成正反馈系统，得到频率固定的高频脉冲信号。为便于单片机的测量和计算，选择100KHz的石英晶体，使得高频脉冲产生电路输出100KHz的高频时钟信号。只要选择的石英晶体良好，这种方法得到的高频时钟脉冲的精度、稳定度都很高，并且电路实现简单。石英进晶体振荡器构成的高频时钟脉冲信号的电路如图3-3所示。图3-3 石英进晶体振荡器构成的高频时钟脉冲产生电路二、高频脉冲信号使用基于NE555定时器构成的555振荡电路构成。以产生需要的高频时钟脉冲信号。通过计算，选择对应的电阻和电容参数值，可以得到近似的目标频率（100KHz），但误差较大。方案二设计的高频脉冲产生电路如图3-5所示。使用基于高稳

15、定度石英晶体为核心，构成高频脉冲信号产生源，设计简单合理，故采用前者。 图3-5 555定时器构成的高频脉冲产生电路3.1.3 异或门鉴相电路异或门由一片74LS74构成，起鉴相作用。这样将两路方波信号输入后，即可将两信号高低电平相异的部分以高电平输出，而这个输出信号的宽度脉冲与待测的相位差成比例关系。电路原理图如图3-6所示。图3-6 鉴相电路3.1.4 复合门复合门由与门构成，在异或门的输出脉冲宽度时间内，将高频时钟脉冲送出。图3-8 复合门1为时标脉冲信号，其频率为2为相位差对应的时间宽度的矩形波，其时间宽度为3为对应于上述时间宽度内的时标个数（脉冲）三者间的关系为：3.1.5相位超前或

16、滞后判断模块 图3-10 相位超前滞后判断电路 图3-11 74LS74逻辑图相位超前或滞后判断模块由D触发器构成，将A信号经整形后送入D脚，B信号经整形后送入CLK脚，若Q输出为高电平，则说明A信号的相位超前B信号；反之A信号的相位滞后B信号。并将Q的值送至发光二极管，若发光二极管点亮，则说明A信号相位超前B信号，反之，则说明A信号的相位滞后B信号。电路原理图如图3-10所示。3.1.6 显示电路一、采用LED数码管显示电路。二、7段数码管的驱动单片机驱动LED数码管有多种方法，按显示方法可分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将显示的数据送出后就不再控制L

17、ED，直到下一次显示时再传送新的显示数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码管显示器。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只要把要显示的字型代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发新的字型代码。另一种方法是动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（ag和dp）同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立的接受I/P线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受到相同的自型码，但究竟使用哪个显示器，则取决于C

18、OM端，而这一端是由I/O控制的，又单片机决定何时显示哪一位。动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流电亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象是一组稳定的显示数据。静态显示和动态显示各有利弊。静态显示稳定，但每个显示单元需要独立的驱动电路，使用硬件较多；动态显示需要分时显示，需要CPU定时对显示器进行数据刷新，显示有闪烁感，但需要的硬件较少。下图3-13为静态显示的电路原理图。图3-13 显示电路3.1.7测试用移相电路的设计为了在硬件调试时模拟出同频率正弦信号间的相位差，在B路正弦信号送入整形

19、电路之前，先使用由RC移相网络构成的移相电路对其进行移相，为不使移相后信号的幅值发生改变，使用LM353组成射极跟随器，以保证输出/输入信号的幅度不发生改变。因为所以，RC移相网络对频率为的输入信号移相角度为：具体实现移相电路如下图3-18所示。图3-18 测试用移相电路3.2外围电路方案总结整形电路用LM339构成的电压比较电路组成。2.高频时钟脉冲使用频率固定的石英晶体与非门组成的反馈震荡电路产生高频时钟脉冲。3. 鉴相电路由一片74LS74异或门构成，起鉴相作用。4. 复合门复合门由74LS08与门构成，将时标信号填满与相位差对应的时间宽度。由D触发器74LS74直接将两路方波信号送入，

20、判断其相位关系。使用74 LS164驱动的7段数码管静态显示电路。7. 测试用移相电路RC移相网络构成的移相电路对其进行移相。第四章 系统软件软件设计理论依据具有相角和相位差的信号e1(t)和e2(t)分别加到整形电路。设高频时钟脉冲的频率为fc,；被测信号的周期为T，频率为f=1/T,则异或门的输出脉冲的周期为T/2；被测信号e1(t)超前e2(t)，超前相角为，转换成时间量为。在复合门后，在时间内通过的脉冲个数为N,有： （1）由得到，代入（1）式有： 即： （2） 得： （3）由（3）式可知，利用单片机的数学运算能力，在知道N、f、fc之后，即可求取被测相位的度数。其中N为单片机计数器所

21、计的值，f为输入的正弦信号的频率，fc为插入的高频时钟脉冲频率。系统软件系统软件的主要任务是，计数在时间N，此任务由定时/计数器T1工作在计数器的状态下执行；定时/计数器T0用于测量两同频输入信号的频率f；其它是对测量结果计算的程序部分，完成对公式（3）的计算；最后是对最终的相位差值进行十六进制到十进制数的转换，并送LED显示。.1主程序流程图及其思想开始启动T0初始化T0、T1清0开始启动T0初始化T0、T1清0调用1秒延时调用1秒延时停止T0停止T0TH0、TLO计数值送R2、R3TH0、TLO计数值送R2、R335H、36H寄存器清035H、36H寄存器清0调用显示子程序调用显示子程序I

22、NT1=0？INT1=0？是是否否启动T1启动T1开T1中断开T1中断开总中断开总中断INT1=1？INT1=1？是是否否停止T1停止T1TH1、TL1计数值送R6、R7TH1、TL1计数值送R6、R7调用计算公式调用计算公式调用HEX转换为BCD码子程序调用HEX转换为BCD码子程序调用LED显示调用LED显示结束结束图4-1 系统软件流程图主程序设计思想：程序启动后，先给单片机的两个内部定时/计数器T1、T0进行工作方式字TMOD初始化，定时/计数器T1用于测量对输入信号相位差进行时标的高频时钟个数N，工作于方式1状态，门控制标志位置1，并由外部中断口INT1的状态控制定时/计数器T1的启

23、动和停止；定时/计数器T0用于测量两同频输入信号的频率f，也工作于方式1状态。这样给方式字TMOD初始化赋值为0D5H。之后，将定时/计数器T1、T0的计数寄存器清零，并启动T0工作，调用1秒延时子程序，1秒延时到，输入信号的频率被测出，此时停止T0的工作，并将测得的频率值送入单片机内部寄存器中，以供后续计算。完成上述工作后，检测外部中断输入口INT1的状态，如果INT1由低电平变为高电平，则启动定时/计数器T1，开始计数，否则，继续检测INT1口的状态。T1启动后，当检测到INT1口由高电平变为低电平时，停止T1的计数工作，并将T1计数寄存器中的值送入单片机内部寄存器。测量工作完成后，利用单

24、片机的数学计算能力，调用对应的计算子程序，对所测得的数进行计算，分别调用的是一个双字节无符号数乘法子程序和一个双字节无符号数除法子程序。运算结束后，将得到的关于两同频输入信号相位差的十六进制数转换为BCD码，再调用显示子程序，将相位差值送出到LED数码管进行显示。至此，整个程序结束，完成了对同频信号相位差的测量工作。停止T1工作4.2.2 T1中断服务子程序停止T1工作将180度直接送显示电路显示将180度直接送显示电路显示调用显示子程序调用显示子程序图4-2中断服务子程序在测量过程中，如果遇到两输入信号的相位刚刚相反时，即相位差为180度，从异或门输出的信号将始终为高电平，这将导致定时/计数

25、器T1发生计数中断溢出，为此，需在程序中加入中断服务子程序。在中断服务子程序中，先停止定时/计数器T1的工作，再将180直接显示在显示器上，即可。.3运算子程序流程图及其思想一、fN子程序（双字节无符号数乘法子程序）计算R3计算R3R7暂存暂存R3R7的积于R4、R5中计算R3计算R3R6R3R3R7的积的高位与R3R6积的低位相加计算R计算R2R7RR2R7的积的低位与R4相加计算R计算R2R6RR2R6的积的低位与R3相加RR2R6的积的高位与送R2图4-3 双字节无符号数乘法子程序二、fN的积除以91的子程序（双字节无符号数除法子程序）除数送R6、R7中除数送R6、R7中比较被除数和除数

26、比较被除数和除数R3-R7R3-R7R2-R6R2-R6是否发生借位是否发生借位置溢出标志位否置溢出标志位 是计算双字节商计算双字节商部分商和余数同时左移一位部分商和余数同时左移一位保存溢出位保存溢出位计算R2、R3-R6、R7计算R2、R3-R6、R7C与/F0相与C与/F0相与是否发生借位是否发生借位存放新的余数否存放新的余数 是是否计算完？否是否计算完？计算完16位的商 是计算完16位的商将商移到R2、R3中将商移到R2、R3中图4-4 双字节无符号数除法子程序计算子程序设计思想：公式（3）表示了本系统设计中的运算思想，为了便于使用汇编语言对表达出公式的运算过程，现将公式（3）拆分为两个部分，即先计算fN，再用fKHz除以360的商。这样整个运算部分的软件将得到简化。在fN子程序中，乘数f放在R2、R3中，被乘数N放在R6、R7中，积放在R2、R3、R4、R5中。在fN的积除以91的子程序中，被除数放在R2、R3、R4、R5中，除数91(32768Hz除360的商)放在R6、R7中（91的十六进制数为5B），商放在R2、R3中。设置工作寄存器.4十六进制数转换为BCD码子程序设置工作寄存器将待转换的十六进制数送R2、R3中将待转换的十六进