单片机与单片机与DSP中的同频正弦信号间相位差测量的设计中的同频正弦信号间相位差测量的设计
摘要：介绍了以单片机为核心，通过倍频电路实现的两同频正弦信号相位差测量的设计，并对该系统的硬、软
件作了比较详尽的阐述。关键词：单片机，倍频电路，相位差 1引言本设计目的在于测量出任意两相同频率正弦
信号之间的相位差，并将测量结果以数字形式显示出来。具体实现方法为：先通过比较电路将两路同频信号分
别转换为相应的脉冲信号，然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等脉宽的脉冲
波形，此脉冲波形的脉宽t，即表示两信号的相位差。将原信号对应的任意一路脉冲信号（周期为T）倍频后，作
为单片机计数器的计数脉冲，并对相位差脉冲记数，得记数值为W。设倍频电路的倍频系数为A，则记数脉冲周
期为T
摘要：介绍了以单片机为核心，通过倍频电路实现的两同频正弦信号相位差测量的设计，并对该系统的硬、软件作了比较详
尽的阐述。
关键词：单片机，倍频电路，相位差
1引言
本设计目的在于测量出任意两相同频率正弦信号之间的相位差，并将测量结果以数字形式显示出来。具体实现方法为：先通过
比较电路将两路同频信号分别转换为相应的脉冲信号，然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等
脉宽的脉冲波形，此脉冲波形的脉宽t，即表示两信号的相位差。将原信号对应的任意一路脉冲信号（周期为T）倍频后，作为
单片机计数器的计数脉冲，并对相位差脉冲记数，得记数值为W。设倍频电路的倍频系数为A，则记数脉冲周期为T／A，可得
到两信号相位差角计算公式如下：
其中N＝360／A，N为常数，是相位测量系统的最小精确度。
经过单片机系统编程即可实现此简单运算式，并将运算结果Q送LED显示。原理框图如图1所示。
2 系统硬件电路原理分析与设计
整个系统硬件电路由比较整形电路、倍频电路、单片机AT89C51及显示电路组成。
2．1 比较整形电路
电路采用电压比较器LM339。LM339内有4个电压比较器，取其中的两个比较器即可。两路信号分别接两个比较器同相输入
端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路。两比较器输出即转换为脉冲信号。将其中一路脉冲通过反相器CC4069取反后
与另一路信号通过与门CC4081相与，可得一等脉宽的脉冲信号，此脉宽即记载着两输入信号之间的相位差，我们称之为相位
差脉宽。转换过程见图2。
2．2 倍频电路
由相位差计算公式可知，倍频系数A越大，测量精度就越高，测量越准确。本电路采用A＝720的倍频电路，因此相位测量精
度为N＝360／720＝0．5°，可以满足实际需要。倍频电路由锁相环集成电路CC4046和双BCD（Binary－
CodedDecimalNotation）同步加法计数器CC4518组成。电路框图如图3所示。
两片CC4518双BCD同步加法计数器分别实现10分频和72分频。分频器的输出信号与锁相环的输入信号fi相一致时，锁相环芯
片锁存输出的信号频率为fo＝Afi，从而实现倍频。假如输入信号频率fi＝50Hz，则输出频率fo＝36kHz。
2．3 单片机处理及显示电路
本系统数据处理和显示控制采用AT89C51单片机。原理简图如图4所示。
单片机需要处理2路输入脉冲，分别为相位差脉冲和经过倍频电路得到的计数脉冲。要求在相位差脉冲为高电平时对记数脉冲
进行计数，并对计数值进行软件处理并予以显示。因此，可将相位差脉冲作为计数器工作的门控脉冲，从AT89C51的P3．2／
INT0管脚输入，而将计数脉冲从P3．4／T0管脚输入，这样，门控制位GATE0使定时器T0的启动计数受INT0的控制。当
GATE0和TR0均为1时，只有引脚P3．2／INT0输入为高电平，T0才允许计数。利用GATE0的这个功能，可以方便地检测出
相位差脉宽的外部记数脉冲值W。
根据计算公式Q＝W×N＝0．5W即可求出相位差值。将数据Q送显示电路显示，由于相位差值Q的范围为0～180°，考虑到可
能有一位小数位（W为奇数时），因此采用4位8段LED数码管显示。设计中将AT89C51的P0口作为8段显示的段选位，P0．0
～P0．7分别对应数码管的abcdefgh段。将P2口作为位选位，P2．0～P2．3分别对应从高到低的4位数码管位选端，采用动
态扫描显示技术。由于该种显示电路较为简单，在此不再赘述。
当单片机定时器／计数器用作计数器，来自相应的外部输入引脚T0或T1的计数脉冲信号产生由1至0的跳变时，计数器的值增
1。由于确定一次下跳变要花2个机器周期，即24个振荡器周期，因此，外部输入的计数脉冲最高频率为振荡器频率的1／24。
此系统采用6MHz的晶体振荡器，可以计算出被测信号可达到的最大频率为：6000000／24／720＝347Hz。因此，此系统可
测量的输入信号频率范围为：0～347Hz。
3 软件设计
本系统软件主要是对相位差脉冲进行计数，并对数值进行换算处理，同时在显示器上显示出相位差的度数值。系统软件流程框
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