用单片机测量相位差的新方法

图3 工作波形图
④ 模拟开关的导通电阻不为零引起的误差 : 该项 误差可经电路控制开关的导通 、 断开时间消除 。
在第一个周期 0～ T 期间 : ( m4 ) 信号控制开关 ( s2 ) 处于位置 ( 1) , 积分器 I 只在 tr 、tf 期间对直流电压源
( - Vr2 ) 积分 , 在 t = T 时刻 , 积分器 I 的输出电压为 ( VI ) T . . 见图 3 ( h) ( VI ) T = 1
RC
4
结
论
本文介绍了利用 89C52 单片 CPU 测量两信号相位 差的方法 , 该方法测量准确 , 不受时钟频率 、 信号频率 影响 。
参考文献
1 2 3
∫
t
tr + tf
( - Vr2 ) d t =
Vr2 ( tr + tf ) RC
( 1)
同时 m4 控制 n 位计数器 1 在 0～ T 期间对频率为
3
误差分析
影响该相位差测量精度的主要因素有 : ①运算放大器的偏移电压和偏移电流引起的误
差 : 经计算这两项误差之和不超过 0. 5 % 。 ② DAC 和计数器的量化误差 : 该误差之和不超过
0. 8 % 。
③ 模拟开关的断开电阻不为无穷大引起的误差 : Ω 以上 ,该误差不超过 0. 5 % 。 典型的断开电阻在 1M
因 。该方法测量准确 、 稳定 ,与被测信号频率 、 计数信号时钟频率无关 。 【关键词】 相位差 , 单片机 , 测量
ABSTRACT The measurement principle and circuits for measuring the phase difference of two sine signals based on AT89C52 single - chip com puter are presented , and the reason which causes the difference is anal yzed. The measurement method gives a correct and stable measurement and aphase difference provieded is independent of the signal frequency to be measured ,counting signal and clock frequency. KEYWO RDS phase difference ,single - chip computer ,measure是研究网络相频特性中不可缺少的 重要方面 , 传统的测量方法很多 , 有示波器测量法 、 转 化为时间间隔法 、 电压测量法 、 零示法等 。随集成电路 技术的发展 , 单片 CPU 的普及 , 用单片机组成的数字相 位测量电路具有精度高 、 成本低的优点 , 日益受到人们 的重视 。 目前数字相位测量电路常采用过零比较法 ,此 法受信号频率 、 时钟频率影响较大 , 在干扰较强时检测 的准确度不够高 。 本文介绍的检测方法不受信号频率 、 时钟频率的影响 ,准确度 、 稳定度好于过零比较法 。
θ
( 7)
θ= M1 π/ ( 2 n - 1) 计数值 M1 输入 AT89C52CPU , 经计算处理输出两 信号的相位差 , 并送显示电路显示 。可见 : 两信号的相 位差只与计数值及数模转换器 DAC 的位数有关 , 而与 时钟频率 、 信号频率无关 。 测量原理与双斜式模数转换 器 ADC 的转换原理类似 ,精确度可达 0. 01 % 。
t r+ t
f
2
) 却能正确反映信号的真实相
,为此我们采用直接测量两信号中点的时间差的
2000 - 04 - 07 收到
史健芳 ,女 ,1966 年生 ,1993 年毕业于西安交通大学信控系 ,获硕士学位 ,讲师 ,研究方向 : 电子技术及测量 。 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・ 30 ・( 总 344)
用单片机测量相位差的新方法
2000 年
用单片机测量相位差的新方法
A Ne w Wa y to Measure Phase Difference with Single - Chip Computer
史健芳
( 太原理工大学
太原
030024)
【摘
要】 介绍了利用 AT89C52 单片机测量两正弦信号相位差的测量原理 、电路组成 , 并分析了引起误差的原
M T・ Vr1
2 - 1
( 2)
薛钧义 . 单片微型计算机原理及应用 . 西安交通大学出版 社 ,1989 : 全书
' 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 13 卷 第 7 期
电脑开发与应用
( 总 345) ・ 31 ・
在第二周期 T～ 2 T 期间 : ( m4 ) 控制开关 ( s2 ) 处于 位置 ( 2) , 积分器将对 ( VDAC ) T 积分 , 在任意时刻 t 其输 出
VI = ( VI )
T
-
1
RC
∫
T
T+ t
( VDAC ) T ・ dt
fc 的时钟信号计数 , 在 T 时刻计数值 M T = T ・fc , 该计
数值输入参考电压为 Vr1 的 n 位数模转换器 DAC ,转换 为直流电压 ( VDAC )
( VDAC ) T =
n T
张永瑞 . 电子测量技术基础 . 西安 : 西安电子科技大学出版 社 ,1995 : 全书
paull C J . Phase Measuring with Increased Accuracy. Electron. Eng , 1971 :52～ 55
M1 = T0 ・ fc = Vr2 ・( t r + t f ) ・(2 n - 1 ) Vr1 ・T
( 6)
令 : Vr1 = Vr2 , 由 前 面 知 两 信 号 中 点 的 时 间 差 Δ t = t r + t f 代入式 ( 6) 有
2
M1 =
2Δ t ・(2 n - 1 )
T
n = (2 - 1 ) ・ π
方法来测量信号的相位差 。测量原理电路如图 2 所 示。 电路由 AT89C52CPU、 比较器 、 计数器 、 DAC 转换 器、 积分器等组成 , 正弦信号 x1 、x2 经比较器转换为方 波信号 m1 、 m2 , 经异或门输出两信号的上升沿及下降 沿的时间差 tr 及 tf , m1 信号经二分频电路输出 m4 信 号 ,工作波形如图 3 ( a) ～ (f) 。
( 3)
设积分器在 t = t0 时刻输出为 0 ,即 :
VI = ( VI )
T
-
1
RC
∫
T
T+ t0
( VDAC ) T ・ dt = 0
T
( 4) ( 5)
有 : t0 = Vr2 ( tr + tf ) / ( VDAC )
图2 测量原理电路
在 T～ T + t0 时间内 , 计数器 2 对频率为 fc 的时钟 信号计数 ,计数值
2
测量原理
两信号相位差的测量常采用过零比较法 , 如图 1
( a) ～ ( e) 所示 , 即将两信号 x1 、 x2 经比较器转换为方波
信号 m1 、m2 , 求出两信号上升沿 tr 或下降沿 tf 的时间 差 , 并以标准时钟频率 fc 在其内计数 , 将计数值转换为 角度 θ π 2 θ= M ・ T・ fc
M 为 tr 或 tf 内的计数值 , T 为信
图1 过零比较法
号频率 该法不仅与信号频率 、 时钟频率有关 , 而且易受元 件性能影响 , 当过零不稳时 , 上升沿或下降沿的时间差 并不能反映信号的真实相位差 ,见图 1 ( e) 。 而信号中点 的时间差 Δt (Δt = 位差
3 3 3
[2 ]