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