基于MCS51单片机的高精度数字测相方法

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图 1" 外部分频电路
图 !" 测相原理信号示意图
!" 系统硬件实现
整形电路 （ 图 #） 由 $%&!’ 和 ()##* 组成， $%&!’ 是一个高性能仪用放大器， 它只须外接一个电阻， 即可 实现增益在 + , + ’’’ 内调节- 当增益为 + 时， 不需外 接电阻， 且其阻抗可达到 +’ )!- 用 $%&!’ 可实现对 弱小信号的放大整形- ()##* 比较器组成施密特电压 比 较 器， 用 于 检 测 信 号 过 ’ 点， 将正弦波整形为 ［ .］ 方波 鉴相器 （ 图 .） 由一片 /.(0/. 双 % 触发器组成， 线 性度好， 工作范围为 ’ , #1*- ***2-
图 !" 外部中断 # 程序流程图
3 ）只需在软件上稍作补充， 即可实现频率和周期 的测量% 参考文献：
［# ］ " 廖常初， 唐昆明% 微机相位差测量方法与提高测量精度的 措施 ［ :］ % 自动化与仪器仪表， #110 ， （$） ： $# 7 $’ ， $3% ［’ ］ " 操长茂， 秦工% 数字式相位差测量仪 ［ :］ % 仪表技术， ’&&/ ， （’） ： #! 7 #1% ［/］ " 潘洪明， 邹立华， 方燕红% 同频正弦信号间相位差测量的 设计 ［ :］ % 测控技术与设备， ’&&/ ， ’1 （/） ： $# 7 $’% ［$］ " 刘灿涛， 赵伟， 袁俊% 基于数字相关原理的相位差测量新 方法 ［ :］ % 计量学报， ’&&’ ， ’/ （/） ： ’#1 7 ’’/% ［0］ " 何立明% 单片机高级教程 （ 应用与设计） ［ 4］ % 北京： 北京 航空航天大学出版社， ’&&&% ［3］ " 胡汉才% 单片机原理及其接口技术 ［ 4］ % 北京： 清华大学 #113% 出版社，
#" 系统软件实现
系统软件的主要任务是： 预置闸门 （ <+- / ） 、 对填 充脉冲和多周期个数计数、 对 ! " 等精度测量、 高精度 万方数据 运算、 显示测量结果等功能 - 为实现等精度测量， 需设
图 /" 外部中断 ’ 程序流程图
Βιβλιοθήκη Baidu&
重庆大学学报 （ 自然科学版） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ’&&0 年
图 #" 整形电路图 图 &" 主程序流程图
图 ." 鉴相电路
外部计数器 （ 图 1） 采用两片 ! 3 4 3 +& 进制计数 器 05/.+*/ ， 分频系数选 !1&- 当为上限频率， 相位最大 时， 分频 后 进 入 单 片 机 的 频 率 小 于 !- . )67 8 !1& 9 *- # :67， 满足单片机外部计数脉冲小于 !1’ :67 的条 件- 显示器用 & 位 (;% 数码管静态显示， 定时刷新， 用 & 片串入并出的移位寄存器 /.(0+&+ 驱动-
收稿日期： "##$ C #G C "E 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ R#B#"##% ）
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万方数据 作者简介： 姜玉宏 （ BJR" C ） ， 女， 四川自贡人， 后勤工程学院讲师， 硕士， 主要从事测控与仪表方面的研究)
第 !4 卷第 4 期" " " " " " " " " " 姜玉宏， 等： " 基于 )A0 3 1+ 单片机的高精度数字测相方法
表 #" 信号发生器输出参数和数字相位仪测量值对比表 信号发生器输出参数 ", - . &% / #% & ’% ! $ $% 0 0 !& - () ’& 0&& # ’&& ’ &&& #& &&& ’& &&& !# $&% &#0 ’3% /!$ ’#$% 33$ /’&% &&0 /’% ’&3 $0% #&$ 数字相位仪测量值 !% # /1% 2!$ ’3% 002 ’#$% 20/ /#1% 1!! /’% ’&0 $0% #&$ !! &% ’/# &% #2/ &% &!1 &% &#2 &% &&# &% &&&
! "##$ 年 % 月 第 "% 卷第 % 期
重庆大学学报 （ 自然科学版） *+’,-./ +0 12+-(34-( 5-467,849: （ ;<9’,</ =>47->7 ?@494+-）
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! ! 文章编号： B### C $%"D （ "##$ ） #% C ##"% C #E
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B! 系统原理分析
系统框图如图 B 所示：
图 B! 系统总框图
两待测信号 !（ 、 !（ 经整形为方波， 方波的 B "） " "） 上升沿和下降沿分别与待测信号的正负过零点相对 应， 经鉴相器鉴相后输出为矩形脉冲， 其宽度 !# 与相 位 ! 成正比例$ 为实现相位差的高精度测量， 通过同 步门控制使测量信号的宽度为输入信号的整数倍， 实
立两个标志位 !’ 6、 !+ 6， 用以判断计数单元是否为 ’、 定时 +’’ => 时间到标志位- 多周期个数计数单元为 #+ 6 （ 高位） 、 #’ 6 （ 低位） - 单片机 <’ 口用于读取外部 ［ 1 3 &］ 计数器数值 - 系统流程图如图 & 3 4 所示+ ）初始化- 初始化完成 ?’ 、 ?+ 工作方式的设置、 ?+ 初始值的装入、 中断优先级 （ 中断 + @ 中断 ’ ） 定义、 标志位、 读 数 单 元、 外 部 计 数 器 清 零、 清同步预置门 （ <+- / 9 ’ ） ! ）主程序- 主程序中开预置门、 开外部中断 ’ 、 读 取计数值、 完成相位差的计算、 送显示等功能开 # ）中断程序- 外部中断 ’ 用于对多周期计数、 启、 关闭定时计数器、 关预置门、 开外部中断 + 、 置计数 单元为 ’ ， 标志位为 +- 外部中断 + 中再次启动 ?+ ， 用于 计取 "#、 关中断 + 、 置定时到标志位为 +-
$" 实验结果及结论
为了验证上述分析的正确性， 笔者进行了实验% 用 函数发生器输出频率 !& 在 ’& () * ’& +() 范围变化， 自选几个测量点， 先用标 对幅值 " , 可调的正弦信号， 准数字相位仪， 测出基准相位差 ! # $ 再将该信号送入 制作的数字相位测量仪， 测出相位差 !%# ， 计算出绝对 误差 !!% 实验结果如表 # 所示%
基于 F1= C $B 单片机的高精度数字测相方法
姜 玉 宏B ， 颜 ! 华" ， 苏 政 华B ， 甘 ! 明B
（ 解放军后勤工程学院 B) 信息工程系； ") 基础部， 重庆! G###BH ）
!
摘! 要： 相位是周期信号的一种重要的波形参数) 利用 F1= C $B 单片机与外部电路相结合， 充分利 用其片内资源， 采用过零鉴相法， 高频脉冲填充计数， 多周期等精度测量方法， 实现了相位差的高精度测 量) 着重介绍了系统原理及硬软件实现方法) 关键词： 单片机； 测相仪； 相位差； 测量 ! ! 中图分类号： IFJEE) EB" ! ! 在生产和研究中， 相位的测量通常是一个很重要 的内容) 传统的测相仪一般采用数字相关法： 即通过 & K L 转换器采集待测信号送入单片机进行数字处理， 由高精度的数字离散计算得到相位差结果) 该测量方 法对超低频信号有很高的精度， 但在高频段误差较大) 且其测量范围和精度受到 & K L 芯片的限制， 测量相位 差的误差与取样点和 & K L 转换器的位数和速度有关) 文中所论述的数字测相仪利用 F1= C $B 单片机 与外部电路相结合， 充分利用其片内资源， 采用过零鉴 相法， 高频脉冲填充读数， 多周期等精度测量方法， 实 现了相位差的高精度测量) 文献标识码： &
［ B C E］ $ "G FMN 的高频脉冲经 现多周期同步等精度测量
闸门控制填充多周期的矩形脉冲， 经分频后送单片机 读数 （ 信号示意图如图 " 所示） $ 如果设高频填充脉冲频率为 % & ， 其周期 ’& O B ( % & ； 被测信号频率为 % ) ， 被测信号的周期为 ’， # 个周期中 计得调频脉冲数为 *， 则相位差为： ! + !’ ( ’ , EH# - + * ( # , % ) ( % & , EH# - ， 式中： !’ 为相位差的脉宽$ F1= C $B 单片机内有 " 个 BH 位定时计数器 I# 、 IB ， " 个外部中断源 P;I# 、 P;IB) 将 I# 设置为 BH 位读 数器， 对调频填充脉冲 * 值读数， IB 设置为工作方式 B， 定时 B## Q8 （ 单片机晶振为 H FMN） ， 并完成 !" 的测 量) P;I# 中断对被测信号周期 ; 计数) 由于受单片机 外部 计 数 脉 冲 频 率 小 于 % ./) ( "G（ % ./) O H FMN ） O # $ "$ FMN的局限， I# 需与外部计数器结合， 分频电路 选用两片 " C % C BH 进制计数器 =;RGBJR ， 最高工作频 率可达 B## FMN， 分频系数为 "$H) 利用同步等精度测 即 * O B， 此 量产生的最大计数误差为 S B 个计数脉冲， 时产生的绝对误差 !! O EH# - T !’ ( ’， 在填充脉冲为 "G FMN 时， 输入信号 !’ O B ( "G ### ### O # $ #GB R "8， 为上限频率 "# UMN 时， ’ O B ( "# ### O $# "8， 当输入信 号为下限频率 "# MN 时， ’ O B ( "# O $# ### "8， 则上限 时 !! Q.V O EH# - T # $ #GB R ( $# O # $ E - ， 下 限 !! Q4- O EH# - T # $ #GB R ( $# ### O # $ ### E -$
" " 通过理论分析和实验可以看出， 该数字相位仪采 用 456 7 0# 单片机为微处理器进行相位测量， 结构简 单， 性能可 靠， 可 达 到 理 想 的 测 量 效 果， 其性能指标 如下： # ）频率范围为 ’& () * ’& +()； ’ ）幅度为 /&& 8. * 0 .； / ）绝对误差 &% &&& / * &% /9 ； $ ）输入阻抗达 #& 4"； 0 ）分辨率 &% &&#9 ；