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填充計數式相位測量的分析與實(shí)現
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時(shí)間：2012-11-09
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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一． 填充計數測量相位的原理
要獲得兩個(gè)同頻信號間的相位值有多種實(shí)現方法。較為常用的一種是采用過(guò)零鑒相法，這種方法的基本要點(diǎn)是：將兩個(gè)同頻被測信號整形為兩個(gè)方波信號，其前后沿分別對應于被測信號的正向過(guò)零點(diǎn)和負向過(guò)零點(diǎn)，然后測量出這兩個(gè)同頻方波的前沿（或后沿）之間的時(shí)間差比例，即為這兩個(gè)被測信號之間的相位差，簡(jiǎn)稱(chēng)相差。
而要獲得這個(gè)時(shí)間差比例，通常采用填充計數法，其基本原理見(jiàn)圖1，設A，B為兩路同頻待測的正弦波信號，兩信號經(jīng)整形后形成A'和B'兩路方波，若A'的兩個(gè)前沿之間（一個(gè)信號周期）的計數脈沖的個(gè)數為N個(gè)，A'與B'的兩個(gè)相鄰前沿之間的計數脈沖的個(gè)數為n個(gè)，則A，B兩路之間的相位差為：
n/N * 360° (1) 
二．計數脈沖頻率與相位計算精度的關(guān)系
從上述方法測量相位的原理來(lái)看，要獲得兩個(gè)同頻信號間的相位差，只要獲得兩個(gè)計數值N和n，通過(guò)(1)式計算即可。那么相位計算的分辯率就為3600/N ，也就是表示相差的最小單位。當被測信號的頻率一定時(shí)，計數脈沖的頻率就決定了相位測量的精度。如在一個(gè)信號周期內所獲得的計數脈沖的個(gè)數為360個(gè)，則獲得相差的最小單位是3600/360=10（可看作是每個(gè)脈沖代表10）。若在一個(gè)信號周期內所獲得的計數脈沖的個(gè)數為3600個(gè)，則獲得相差的最小單位就為3600/3600=0.10（可看作是每個(gè)脈沖代表0.10）。由此可見(jiàn)在一個(gè)信號周期內所獲得的計數脈沖的個(gè)數越多，則獲得相位差的最小單位也就越小，精度也就越高。要達到0.10以上的精度，則計數脈沖的頻率必須是被測信號頻率的3600倍以上。設被測信號頻率為fx,計數脈沖頻率為fa ，則設計時(shí)應滿(mǎn)足：
fa>3600×fx (2)
三．利用MCS-51系列單片機片內資源實(shí)現相位測量的分析
由于需要進(jìn)行計算，目前市場(chǎng)上流行的相位表，多數為單純利用MSC─51系列機片內資源實(shí)現計數與計算。在典型的MSC-51系列單機片內，有2個(gè)16位的定時(shí)/計數器（CTC0，CTC1），5個(gè)中斷源，時(shí)鐘頻率為3.8-12MHz ，這些都為實(shí)現相位差的測量與計算提供了一定的硬件基礎?？衫闷瑑?個(gè)定時(shí)/計數器，（CTC0，CTC1）分別記錄前面所述的N和n的計數值。將CTC0，CTC1設置為定時(shí)方式（計片內機器周期數）。兩個(gè)外部中斷INT0，INT1，設置成下沿觸發(fā)方式，并將上述A'，B'兩個(gè)方波信號接至INT0，INT1的輸入端。利用INT0和INT1的中斷服務(wù)程序來(lái)控制CTC0，CTC1的啟動(dòng)與停止，以此來(lái)獲取N和n的計數值。
由于MCS-51系列單片機的最高工作頻率為12MHZ，故CTC0，CTC1的最高計數頻率為1MHz。16位字長(cháng)的CTC0和CTC1計數范圍是0ー65535。對于1MHz的計數頻率而言，輸入信號的頻率響應范圍的下限是：在一個(gè)信號周期內CTC的計數從零計到最大65535，而每一計數脈沖的周期是1μS（1MHz的計數脈沖）。故CTC從零計到最大值所需時(shí)間是：65535 * 1μS=65535μS，因而，輸入信號的最低頻率約為1/0.065535=15.26Hz。頻率響應的上限是：雖然在一個(gè)信號周期內CTC的計數值大于零即可計算，但為了使計算結果具有足夠的精度（至少0.10），故記錄N值的CTC在一個(gè)信號周期內的計數值必須大于3600（因3600/3600=0.10）而CTC從零計數到3600所需時(shí)間為3600*1μS=3600μS。由此可得輸入信號的最高頻率約為1/0.0036=277.78Hz。
在最高的輸入信號頻率下，每一個(gè)計數脈沖即代表0.10機器每多計或少計一個(gè)脈沖就意味著(zhù)帶來(lái)一個(gè)0.10的誤差。另外由于CTC的啟停是由中斷服務(wù)程序來(lái)控制的，那么CTC啟停時(shí)刻不能絕對代表信號的下沿時(shí)刻，故誤差是不可避免。當信號頻率較低時(shí)，其誤差尚可忽略。當信號頻率越接近最高響應頻率，其單片機所帶來(lái)的誤差就越不可忽略。以這樣的方式構成的相位計，實(shí)際上的最高響應頻率僅在100Hz左右。
四．高頻計數的實(shí)現
從以上分析得知，若僅利用單片機的資源來(lái)實(shí)現相差的測量，是無(wú)法以高精度測得較高頻率信號的相位差的。其關(guān)鍵所在是計數頻率已無(wú)法再提高。鑒于這點(diǎn)筆者考慮到不用單片機內部的CTC計數，而是采用廉價(jià)的74系列芯片搭成高速計數，鎖存電路。當計數值鎖定這后，再讀入單片機進(jìn)行計算和顯示。
具體實(shí)現的電路圖如圖2所示。高速計數器由4片74LS191串聯(lián)組成16位計數器。計數脈沖的輸入由一個(gè)觸發(fā)器控制，觸發(fā)器設計成自鎖式，即由被測的周期信號A'鎖定一個(gè)完整的信號周期后，封鎖計數脈沖的輸入 ，不再響應后一個(gè)周期，待單片機處理完該周期內的數據后，由單片機先對計數器清零，然后解除觸發(fā)器的封鎖，系統才繼續采集下一個(gè)信號周期的數據。周期計數鎖存器（記N值）由74LS373（U8），（U7）組成，相差計數鎖存器（記n值）由74LS373（U6），（U5）組成，其中（U5），（U7）鎖存低8位數據，（U6） ，（U8）鎖存高8位數據，當A'信號的上沿來(lái)臨時(shí)，由觸發(fā)器打開(kāi)U10門(mén)，開(kāi)始計數。當B' 信號的上沿來(lái)臨時(shí)，鎖存U6，U5（獲得n值）。當A'信號的上沿再次來(lái)臨時(shí)，鎖存U8，U7（獲得N值）。并封鎖觸發(fā)器。通知單片機依次讀入U5，U6，U7，U8的鎖存值進(jìn)行計算。高頻振蕩源采用高精度晶體振蕩器，以提供高精度的計數脈沖。
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