基于单片机的低频数字相位测量仪的设计

发布时间:2007/8/24 0:00:00 访问次数:743

西安工业学院陕西　史国清，倪晋平，刘文军

摘　要：提出了一种基于AT89C52单片机开发的低频数字相位测量仪的设计。系统以单片机AT89C52及可编程逻辑器件为核心，构成完备的测量系统。可以对10 Hz～20 kHz频率范围的信号进行频率、相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°；采用数码管显示被测信号的频率、相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强，效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。

关键词：单片机；低频；集成电路；可编程逻辑器件；绝对误差

频率是信号的重要参数之一，如何获得这一准确数据已经在信息领域显得越来越重要了［1，2］。相位测量在信号提取、检测、处理等方面有着重要的应用［3］。本设计采用89C52单片机和可编程逻辑器件（CPLD）为核心，利用单片机进行数据处理并显示结果,软件采用汇编语言实现,构成低频信号频率相位测量仪。

1　系统工作原理

本设计以89C52单片机和可编程逻辑器件（CPLD）为核心，构成低频信号频率相位测量仪。该仪器具有移相、频率和相位测量2大功能。移相电路由移相网络和信号放大电路组成，对固定频率信号（100 Hz，1 kHz，10 kHz）可满足-45~+45的相移要求；频率、相位测量电路由阻抗变换电路、整形电路、分频电路、计数器电路、锁存器、数据处理和显示电路等组成，可对10 Hz~20 kHz信号进行频率和相位测量。单片机系统是整个硬件系统的核心，他既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器，并完成对最终显示的控制。

1) 单片机89C52（内部带8 kB FLASH ROM）、地址锁存器74LS573和数据存储器6264（内部 RAM为8 kB）构成的［4］。

2) 数据处理主要是正确判断对所输入的信号是测频还是测相，并完成测频、测相的功能。

3) 由控制面板、显示接口芯片8279构成显示电路。

2　精度分析

本设计要求相位测量精度绝对误差≤1°，因此，在所测信号一个周期中，只有计数数值超过360次时才能达到要求。对于被测信号频率为20 kHz时，其周期为50 μs，在50 μs内计数值为360次，由此可计算出时间基准信号的频率为20 kHz×360=7.2 MHz，所以采用8 MH z晶振作为时基信号源，完全可以满足精度要求［5］。

3　系统设计总框图

系统设计总框图如图1所示。

4　测频、测相的实现

测频、测相电路是本次设计的主要内容，此部分采用可编程逻辑器件(CPLD)完成，由单片机控制。单片机的汇编程序就是按照CPLD的设计原理而编写的［6，7］。

图2，图3分别为测频、测相的流程图。为了便于说明，画出此系统结构图，如图4所示。

CPLD电路描述：首先经过扫描P11控制74257（2选1）电路，选择测频还是测相，如果为高电平则测频，利用单片机产生10次中断产生的秒信号，即在1s中信号的脉冲数，其中计数器是由6个74193搭成的24位计数器，经锁存器锁存，等待单片机读出；如果为低电平则测相。测相时先调用了测频的程序但并不显示，而是存起来待用，然后给D触发器清零，否则得到的异或值不同，如图3所示。a′,b′经过异或生成相位信号并发出中断请求，与8 MH