1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc167940019 第一章 緒論 PAGEREF _Toc167940019 h 1 HYPERLINK l _Toc167940020 相位差測量概述3 HYPERLINK l _Toc167940022 1.2課題研究主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc167940022 h 4 HYPERLINK l _Toc167940023 第二章 相位差測量基礎(chǔ)理論4 HYPERLINK l _Toc167940024 相位差測量原理4 HYPERLINK l _Toc167940025 系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc1

2、67940025 h 5 HYPERLINK l _Toc167940026 第三章 系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計6 HYPERLINK l _Toc167940027 硬件方案設(shè)計與器件選擇6 HYPERLINK l _Toc167940028 3.1.1 整形電路 PAGEREF _Toc167940028 h 7 HYPERLINK l _Toc167940029 3.1.2 高頻脈沖產(chǎn)生電路7 HYPERLINK l _Toc167940030 3.1.3 異或門鑒相電路8 HYPERLINK l _Toc167940031 3.1.4 復合門8 HYPERLINK l _Toc16794003

3、2 .5相位超前或滯后判斷模塊9 HYPERLINK l _Toc167940033 3.1.6 顯示電路9 HYPERLINK l _Toc167940035 3.1.7測試用移相電路的設(shè)計10 HYPERLINK l _Toc167940036 外圍電路方案總結(jié)11 HYPERLINK l _Toc167940037 第四章 系統(tǒng)軟件12 HYPERLINK l _Toc167940038 軟件設(shè)計理論依據(jù)13 HYPERLINK l _Toc167940039 系統(tǒng)軟件13 HYPERLINK l _Toc167940040 主程序流程圖及其思想13 HYPERLINK l _Toc16

4、7940041 4.2.2 T1中斷服務子程序14 HYPERLINK l _Toc167940042 運算子程序流程圖及其思想14 HYPERLINK l _Toc167940043 十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼子程序15 HYPERLINK l _Toc167940044 顯示子程序15 HYPERLINK l _Toc167940045 定時/計數(shù)器工作部分及相關(guān)問題16 HYPERLINK l _Toc167940046 定時/計數(shù)器工作部分16 HYPERLINK l _Toc167940063 第五章 結(jié)論16 HYPERLINK l _Toc167940064 5.1結(jié)論16基于單片

5、機控制的低頻數(shù)字式相位測試儀摘 要在實際工作中，經(jīng)常需要研究諸如放大器、濾波器等各種器件的頻率特性，即輸出輸入信號間幅度比隨頻率的變化關(guān)系（即幅頻特性）和輸出輸入信號間相位差隨頻率的變化關(guān)系（即相頻特性）。尤其在圖像信號傳輸與處理、多元信號的相干接受等學科領(lǐng)域，研究網(wǎng)絡(luò)（或系統(tǒng)）的相頻特性顯得更為重要。相位差測量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的測量快速、精確已成為生產(chǎn)科研中重要的研究課題。測量相位差的方法有很多，主要有：用示波器測量；把相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差；把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，先測量出電壓再換算為相位差；與標準移相器的比較等。本設(shè)計提出了一

6、種基于A T89C52 單片機開發(fā)的低頻數(shù)字相位測量儀的設(shè)計。系統(tǒng)以單片機A T89C52為核心，構(gòu)成完備的測量系統(tǒng)?？梢詫?0 Hz20 kHz 頻率范圍的信號進行頻率、相位等參數(shù)的精確測量；測相絕對誤差不大1；采用數(shù)碼管顯示被測信號相位差。硬件結(jié)構(gòu)簡單。軟件采用匯編語言實現(xiàn)，程序簡單可讀寫性強、效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比，其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：相位測量；單片機；低頻；集成電路實驗平臺：單片機，Proteus6.0 ，Wave6000第一章 緒論振幅、頻率和相位是描述正弦信號（交流電）的三個“要素”。以電壓為例，其函數(shù)關(guān)系為式中：為電壓的振幅；為角頻率；為初相位

7、。設(shè)，稱瞬時相位，它隨時間改變，即是時刻的瞬時相位差。兩個角頻率為、的正弦信號分別為它們的瞬時相位差顯然，兩個角頻率不相等的正弦信號之間的瞬時相位差是時間的函數(shù)，它隨時間改變而改變。當兩正弦信號的角頻率時，則有由此可見，兩個頻率相同的正弦信號間的相位差是常數(shù)，并等于兩正弦信號的初相之差。在實際工作中，經(jīng)常需要研究諸如放大器、濾波器、各種器件等的頻率特性，即輸出輸入信號間幅度比隨頻率的變化關(guān)系（即幅頻特性）和輸出輸入信號間相位差隨頻率的變化（即相頻特性）。尤其在圖像信號傳輸與處理、多元信號的相干接受等學科領(lǐng)域，研究網(wǎng)絡(luò)（或系統(tǒng)）的相頻特性顯得更為重要。相位差測量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中必不可少的重要

8、方面，如何使相位差的測量快速、精確已成為生產(chǎn)科研中重要的研究課題。測量相位差的方法有很多，主要有：用示波器測量；把相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差；把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，先測量出電壓在換算為相位差；與標準移相器的比較（零示法）等。1.2課題研究主要內(nèi)容設(shè)計制作基于單片機控制的低頻數(shù)字式相位測量儀，能夠?qū)崿F(xiàn)相位測量?；疽骯頻率范圍：1Hz100kHz。b相位測量儀的輸入阻抗100k 。c允許兩路輸入正弦信號峰-峰值可分別在1V5V范圍內(nèi)變化。d相位測量絕對誤差1。e具有頻率測量及數(shù)字顯示功能。f相位差數(shù)字顯示：相位讀數(shù)為0o359.9o，分辨率。第二章 相位差測量基礎(chǔ)理論相

9、位差測量原理圖2-1 相位測量原理圖兩個同頻率正弦信號的相位差可以用二者過零點的時間來表示，現(xiàn)要測同頻（周期為T）正弦信號e1(t)和e2(t)的相位差，假設(shè)e1(t)過零點的時間為t1，e2(t)過零點的時間為t2 。則= t2- t1,即為相位差寬度，則相位差為：2.2系統(tǒng)工作原理 原理分析：80C52單片機具有兩個16 位的定時器/計數(shù)器T1 和T0，單片機的外部中斷功能可方便地實現(xiàn)閘門開關(guān)與被測信號的跳變沿同步；利用單片機的數(shù)據(jù)運算能力可編制相應的乘除法程序，并實現(xiàn)測量結(jié)果的高精度顯示。顯 示 器e1(t)整形電路顯 示 器e1(t)整形電路T08052T1 INT1高頻時鐘脈沖高頻時

10、鐘脈沖異或門異或門復合門復合門相位超前滯后判斷電路e相位超前滯后判斷電路e2(t)整形電路整形電路圖2-2 原理框圖圖2是基于8052單片機的相位測量的原理框圖，其基本原理是將相位差轉(zhuǎn)化為時間，然后用單片機來測量時間間隔。如圖所示，e1(t), e2(t)為兩同頻率的正弦信號，經(jīng)整形電路后形成方波，方波的上升沿和下降沿分別與振蕩信號（正弦信號）的正負過零點對應。整形電路的輸出，一路送異或門，一路送相位超前滯后判斷電路。兩路方波信號送入異或門后，輸出的矩形脈沖的寬度與相位成比例關(guān)系。在復合門上用高頻時鐘脈沖對相位進行刻度，即用異或門的輸出脈沖來控制周期固定的高頻時鐘脈沖從復合門的通過。復合門的輸

11、出送入，由內(nèi)部定時/計數(shù)器T1計數(shù)時間內(nèi)，通過復合門的時標個數(shù)N。定時/計數(shù)器T1的啟動和停止取決于INT1引腳的信號，當INT1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，開始計數(shù)；當INT1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，停止計數(shù)器，而INT1引腳的信號來自異或門的輸出，即用異或門的輸出信號控制定時/計數(shù)器T1的啟動和停止。在閘門控制時間內(nèi)的計數(shù)值N正比于，這樣相位的測量就轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的時間測量；同時經(jīng)整形后信號中的任意一路送入單片機的內(nèi)部定時/計數(shù)器T0，使用T0測出輸入信號的頻率；另一路送入相位超前滯后判斷電路，用來區(qū)分兩路同頻信號相位的超前與滯后關(guān)系。第三章 系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計3.1硬件方案設(shè)計與器件選擇3.1.1

12、 整形電路一、整形電路用LM339構(gòu)成的電壓比較電路組成。對于不同幅值（1V5V）的待測信號，將待測信號接入，LM339比較器組成電壓比較器，用于檢測信號過0點，將正弦波整形為方波，可以很好地達到設(shè)計需求。使用此方法設(shè)計的整形電路簡單，易于實現(xiàn)，且較符合設(shè)計任務的要求。電路圖原理圖如圖3-2所示。圖3-2 波形整形電路二、采用施密特觸發(fā)電路（又稱遲滯比較電路），完成對輸入正弦信號的整形。因施密特觸發(fā)器能濾除干擾噪聲而獲得很廣泛的運用。在一些應用場合中，特別在某些模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，遲滯比較器作為抗干擾的比較器應用較多。為了獲得更好的轉(zhuǎn)換效果，需要較好地選擇遲滯比較器正端輸入的基準電壓。而信號的未

13、知為確定基準電壓帶來麻煩。整形電路前端有AD620組成，AD620是一個高性能的放大器，資料顯示，它只須外接一個電阻，即可實現(xiàn)增益在11 000內(nèi)的調(diào)節(jié)。當增益為1時，不需外接電阻，且阻抗可以達到10M. 用AD620可實現(xiàn)對弱小信號的放大整形。 LM334比較器組成施密特電壓比較器，用于檢測信號過0點，將正弦波整形為方波。AD620一般用于對噪聲和干擾要求比較高的場合，但AD620的購買價格較高。通過分析研究，用LM339構(gòu)成的電壓比較電路構(gòu)成整形電路，是一種較為理想的設(shè)計。3.1.2 高頻脈沖產(chǎn)生電路一、高頻脈沖信號由穩(wěn)定度高的石英進晶體振蕩器構(gòu)成。由振蕩頻率為確定的石英進晶體為核心，附以

14、非門，形成正反饋系統(tǒng)，得到頻率固定的高頻脈沖信號。為便于單片機的測量和計算，選擇100KHz的石英晶體，使得高頻脈沖產(chǎn)生電路輸出100KHz的高頻時鐘信號。只要選擇的石英晶體良好，這種方法得到的高頻時鐘脈沖的精度、穩(wěn)定度都很高，并且電路實現(xiàn)簡單。石英進晶體振蕩器構(gòu)成的高頻時鐘脈沖信號的電路如圖3-3所示。圖3-3 石英進晶體振蕩器構(gòu)成的高頻時鐘脈沖產(chǎn)生電路二、高頻脈沖信號使用基于NE555定時器構(gòu)成的555振蕩電路構(gòu)成。以產(chǎn)生需要的高頻時鐘脈沖信號。通過計算，選擇對應的電阻和電容參數(shù)值，可以得到近似的目標頻率（100KHz），但誤差較大。方案二設(shè)計的高頻脈沖產(chǎn)生電路如圖3-5所示。使用基于高穩(wěn)

15、定度石英晶體為核心，構(gòu)成高頻脈沖信號產(chǎn)生源，設(shè)計簡單合理，故采用前者。 圖3-5 555定時器構(gòu)成的高頻脈沖產(chǎn)生電路3.1.3 異或門鑒相電路異或門由一片74LS74構(gòu)成，起鑒相作用。這樣將兩路方波信號輸入后，即可將兩信號高低電平相異的部分以高電平輸出，而這個輸出信號的寬度脈沖與待測的相位差成比例關(guān)系。電路原理圖如圖3-6所示。圖3-6 鑒相電路3.1.4 復合門復合門由與門構(gòu)成，在異或門的輸出脈沖寬度時間內(nèi)，將高頻時鐘脈沖送出。圖3-8 復合門1為時標脈沖信號，其頻率為2為相位差對應的時間寬度的矩形波，其時間寬度為3為對應于上述時間寬度內(nèi)的時標個數(shù)（脈沖）三者間的關(guān)系為：3.1.5相位超前或

16、滯后判斷模塊 圖3-10 相位超前滯后判斷電路 圖3-11 74LS74邏輯圖相位超前或滯后判斷模塊由D觸發(fā)器構(gòu)成，將A信號經(jīng)整形后送入D腳，B信號經(jīng)整形后送入CLK腳，若Q輸出為高電平，則說明A信號的相位超前B信號；反之A信號的相位滯后B信號。并將Q的值送至發(fā)光二極管，若發(fā)光二極管點亮，則說明A信號相位超前B信號，反之，則說明A信號的相位滯后B信號。電路原理圖如圖3-10所示。3.1.6 顯示電路一、采用LED數(shù)碼管顯示電路。二、7段數(shù)碼管的驅(qū)動單片機驅(qū)動LED數(shù)碼管有多種方法，按顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制L

17、ED，直到下一次顯示時再傳送新的顯示數(shù)據(jù)。只要當前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無須理睬數(shù)碼管顯示器。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字型代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機再發(fā)新的字型代碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆畫字段（ag和dp）同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立的接受I/P線控制。CPU向字段輸出端口輸出字型碼時，所有顯示器接受到相同的自型碼，但究竟使用哪個顯示器，則取決于C

18、OM端，而這一端是由I/O控制的，又單片機決定何時顯示哪一位。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流電亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，給人的印象是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示各有利弊。靜態(tài)顯示穩(wěn)定，但每個顯示單元需要獨立的驅(qū)動電路，使用硬件較多；動態(tài)顯示需要分時顯示，需要CPU定時對顯示器進行數(shù)據(jù)刷新，顯示有閃爍感，但需要的硬件較少。下圖3-13為靜態(tài)顯示的電路原理圖。圖3-13 顯示電路3.1.7測試用移相電路的設(shè)計為了在硬件調(diào)試時模擬出同頻率正弦信號間的相位差，在B路正弦信號送入整形

19、電路之前，先使用由RC移相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的移相電路對其進行移相，為不使移相后信號的幅值發(fā)生改變，使用LM353組成射極跟隨器，以保證輸出/輸入信號的幅度不發(fā)生改變。因為所以，RC移相網(wǎng)絡(luò)對頻率為的輸入信號移相角度為：具體實現(xiàn)移相電路如下圖3-18所示。圖3-18 測試用移相電路3.2外圍電路方案總結(jié)整形電路用LM339構(gòu)成的電壓比較電路組成。2.高頻時鐘脈沖使用頻率固定的石英晶體與非門組成的反饋震蕩電路產(chǎn)生高頻時鐘脈沖。3. 鑒相電路由一片74LS74異或門構(gòu)成，起鑒相作用。4. 復合門復合門由74LS08與門構(gòu)成，將時標信號填滿與相位差對應的時間寬度。由D觸發(fā)器74LS74直接將兩路方波信號送入，

20、判斷其相位關(guān)系。使用74 LS164驅(qū)動的7段數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路。7. 測試用移相電路RC移相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的移相電路對其進行移相。第四章 系統(tǒng)軟件軟件設(shè)計理論依據(jù)具有相角和相位差的信號e1(t)和e2(t)分別加到整形電路。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為fc,；被測信號的周期為T，頻率為f=1/T,則異或門的輸出脈沖的周期為T/2；被測信號e1(t)超前e2(t)，超前相角為，轉(zhuǎn)換成時間量為。在復合門后，在時間內(nèi)通過的脈沖個數(shù)為N,有： （1）由得到，代入（1）式有： 即： （2） 得： （3）由（3）式可知，利用單片機的數(shù)學運算能力，在知道N、f、fc之后，即可求取被測相位的度數(shù)。其中N為單片機計數(shù)器所

21、計的值，f為輸入的正弦信號的頻率，fc為插入的高頻時鐘脈沖頻率。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件的主要任務是，計數(shù)在時間N，此任務由定時/計數(shù)器T1工作在計數(shù)器的狀態(tài)下執(zhí)行；定時/計數(shù)器T0用于測量兩同頻輸入信號的頻率f；其它是對測量結(jié)果計算的程序部分，完成對公式（3）的計算；最后是對最終的相位差值進行十六進制到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換，并送LED顯示。.1主程序流程圖及其思想開始啟動T0初始化T0、T1清0開始啟動T0初始化T0、T1清0調(diào)用1秒延時調(diào)用1秒延時停止T0停止T0TH0、TLO計數(shù)值送R2、R3TH0、TLO計數(shù)值送R2、R335H、36H寄存器清035H、36H寄存器清0調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序I

22、NT1=0？INT1=0？是是否否啟動T1啟動T1開T1中斷開T1中斷開總中斷開總中斷INT1=1？INT1=1？是是否否停止T1停止T1TH1、TL1計數(shù)值送R6、R7TH1、TL1計數(shù)值送R6、R7調(diào)用計算公式調(diào)用計算公式調(diào)用HEX轉(zhuǎn)換為BCD碼子程序調(diào)用HEX轉(zhuǎn)換為BCD碼子程序調(diào)用LED顯示調(diào)用LED顯示結(jié)束結(jié)束圖4-1 系統(tǒng)軟件流程圖主程序設(shè)計思想：程序啟動后，先給單片機的兩個內(nèi)部定時/計數(shù)器T1、T0進行工作方式字TMOD初始化，定時/計數(shù)器T1用于測量對輸入信號相位差進行時標的高頻時鐘個數(shù)N，工作于方式1狀態(tài)，門控制標志位置1，并由外部中斷口INT1的狀態(tài)控制定時/計數(shù)器T1的啟

23、動和停止；定時/計數(shù)器T0用于測量兩同頻輸入信號的頻率f，也工作于方式1狀態(tài)。這樣給方式字TMOD初始化賦值為0D5H。之后，將定時/計數(shù)器T1、T0的計數(shù)寄存器清零，并啟動T0工作，調(diào)用1秒延時子程序，1秒延時到，輸入信號的頻率被測出，此時停止T0的工作，并將測得的頻率值送入單片機內(nèi)部寄存器中，以供后續(xù)計算。完成上述工作后，檢測外部中斷輸入口INT1的狀態(tài)，如果INT1由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑒t啟動定時/計數(shù)器T1，開始計數(shù)，否則，繼續(xù)檢測INT1口的狀態(tài)。T1啟動后，當檢測到INT1口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，停止T1的計數(shù)工作，并將T1計數(shù)寄存器中的值送入單片機內(nèi)部寄存器。測量工作完成后，利用單

24、片機的數(shù)學計算能力，調(diào)用對應的計算子程序，對所測得的數(shù)進行計算，分別調(diào)用的是一個雙字節(jié)無符號數(shù)乘法子程序和一個雙字節(jié)無符號數(shù)除法子程序。運算結(jié)束后，將得到的關(guān)于兩同頻輸入信號相位差的十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼，再調(diào)用顯示子程序，將相位差值送出到LED數(shù)碼管進行顯示。至此，整個程序結(jié)束，完成了對同頻信號相位差的測量工作。停止T1工作4.2.2 T1中斷服務子程序停止T1工作將180度直接送顯示電路顯示將180度直接送顯示電路顯示調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序圖4-2中斷服務子程序在測量過程中，如果遇到兩輸入信號的相位剛剛相反時，即相位差為180度，從異或門輸出的信號將始終為高電平，這將導致定時/計數(shù)

25、器T1發(fā)生計數(shù)中斷溢出，為此，需在程序中加入中斷服務子程序。在中斷服務子程序中，先停止定時/計數(shù)器T1的工作，再將180直接顯示在顯示器上，即可。.3運算子程序流程圖及其思想一、fN子程序（雙字節(jié)無符號數(shù)乘法子程序）計算R3計算R3R7暫存暫存R3R7的積于R4、R5中計算R3計算R3R6R3R3R7的積的高位與R3R6積的低位相加計算R計算R2R7RR2R7的積的低位與R4相加計算R計算R2R6RR2R6的積的低位與R3相加RR2R6的積的高位與送R2圖4-3 雙字節(jié)無符號數(shù)乘法子程序二、fN的積除以91的子程序（雙字節(jié)無符號數(shù)除法子程序）除數(shù)送R6、R7中除數(shù)送R6、R7中比較被除數(shù)和除數(shù)

26、比較被除數(shù)和除數(shù)R3-R7R3-R7R2-R6R2-R6是否發(fā)生借位是否發(fā)生借位置溢出標志位否置溢出標志位 是計算雙字節(jié)商計算雙字節(jié)商部分商和余數(shù)同時左移一位部分商和余數(shù)同時左移一位保存溢出位保存溢出位計算R2、R3-R6、R7計算R2、R3-R6、R7C與/F0相與C與/F0相與是否發(fā)生借位是否發(fā)生借位存放新的余數(shù)否存放新的余數(shù) 是是否計算完？否是否計算完？計算完16位的商 是計算完16位的商將商移到R2、R3中將商移到R2、R3中圖4-4 雙字節(jié)無符號數(shù)除法子程序計算子程序設(shè)計思想：公式（3）表示了本系統(tǒng)設(shè)計中的運算思想，為了便于使用匯編語言對表達出公式的運算過程，現(xiàn)將公式（3）拆分為兩個部分，即先計算fN，再用fKHz除以360的商。這樣整個運算部分的軟件將得到簡化。在fN子程序中，乘數(shù)f放在R2、R3中，被乘數(shù)N放在R6、R7中，積放在R2、R3、R4、R5中。在fN的積除以91的子程序中，被除數(shù)放在R2、R3、R4、R5中，除數(shù)91(32768Hz除360的商)放在R6、R7中（91的十六進制數(shù)為5B），商放在R2、R3中。設(shè)置工作寄存器.4十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼子程序設(shè)置工作寄存器將待轉(zhuǎn)換的十六進制數(shù)送R2、R3中將待轉(zhuǎn)換的十六進