基于單片機控制的數字移相器設計

2019-11-03 09:59:40

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供稿：網友

鄒立華趙巍
杭州商學院信息與電子工程學院，310035
哈爾濱工程大學自動化學院，150000

　　摘要：本文介紹了一種基于單片機控制的數字移相器，其采用環形隊列實現信號波形的任意相位移相，且保持波形的幅度、頻率不變。文中對其軟、硬件的設計作了較為詳細的闡述。

　　關鍵詞：單片機倍頻環形隊列

　　概述

　　移相電路常用于同步檢測器的數據處理中。目前資料上有很多移相電路，其實現方法多種多樣，大致可分為模擬式和數字式移相器兩類。模擬式移相器的電路較為復雜、線性差、測試精度低；數字式移相器大多以標準邏輯器件按傳統數字系統設計方法設計而成，其缺點為功耗大、可靠性低。本文介紹的基于單片機控制的數字移相器，采用環形隊列實現信號波形的任意相位移相，并且保持波形的幅度、頻率不變。其測試精度高，失真度小。系統原理方框圖如圖1所示。

　　1系統硬件電路設計

　　本系統的硬件電路主要由輸入信號倍頻電路、AT89C51單片機、A/D轉換器、D/A轉換器、6116存儲器及鍵盤/顯示等電路構成。

　　1.1輸入信號倍頻電路

　　倍頻電路由鎖相環CC4046及雙BCD同步加法計數器4518組成。4518作分頻器用，實現720分頻，其中，U3：A實現9分頻，U2實現80分頻。倍頻電路中鎖相環的輸入信號是經過電壓比較電路把工頻信號變換成的方波信號。當分頻器的輸出信號(U2：A的6腳輸出信號)與鎖相環的輸入信號fi相一致時，鎖相環芯片U1鎖存輸出的信號頻率為fo。假如輸入信號頻率fi=50Hz，則輸出頻率fo=36kHz。具體電路如圖2所示。

　　該倍頻信號的波形如圖3所示，主要有兩方面的用途，一是控制A/D轉換的采樣點數及采樣的時間間隔(即一個周期采樣720個點)。二是控制D/A輸出數據的時間間隔，從而達到輸入信號頻率與輸出信號頻率一致。1.2單片機系統主電路

　　本電路主要由單片機AT89C51、鍵盤/顯示電路、模數轉換器AD574A、數模轉換器DAC0832、6116存儲器等構成，具體電路如圖5所示(鍵盤/顯示電路和6116存儲器等圖中未畫出)。鍵盤主要用來實現移相的具體數值(度)的設置，功能鍵包括設置鍵、數字鍵(“↑”、“→”)、復位鍵、運行鍵等五個鍵，最多可置720個0(720×0.5度=360度)，因此可達到0～360度的相移。根據任意設定的相位數值，把相位及數據存儲到隊列(如圖4所示)中的相應位置置0。顯示用四位數碼管實現，最低位為小數位，其余3位為整數位，可顯示范圍為0.5～360度。

　　A/D實現對波形數據(幅度)的采集、轉換。A/D每采集一個點，就存入存儲器的隊列中。同樣D/A借助單片機先從隊列中讀入一個數據，再由倍頻信號fo來控制D/A輸出數據的時間間隔，D/A的第一周期輸出從“輸出1”口輸出，以后則從“輸出2”口輸出，對采集的720個數據循環輸出，因此達到了移相的目的。

　　另外，因D/AC0832模/數芯片輸出的波形存在毛刺，需要進行濾波，通過實驗，在其輸出端加一個1000p的電容就可以使這些毛剌基本消失，得到較平滑的波形。

　　2系統軟件設計

　　整個系統軟件的執行過程為：首先，通過鍵盤設置移相的數值，同時在顯示器上顯示出移相的度數；其次，啟動A/D把轉換結果存入隊列，在A/D的轉換過程中，D/A從隊列中讀出相應數據后D/A輸出；第三，D/A不斷循環輸出，實現連續的移相后的工頻信號。系統軟件流程框圖如圖6所示。

　　3結束語

　　該數字移相器可對任意波形信號(如正弦波、三角波、鋸齒波、方波等波形)進行任意相位的移相，具有測量精度高、跟蹤速度快的特點，根據設定要求移相后所獲得的輸出波形與輸入信號波形的幅度、頻率逼近，即輸出移相后波形的失真度較小。

　　參考文獻

　　1何立民著.MCS-51系列單片機應用系統設計.北京：北京航空航天大學出版社，1990

　　2萬心平，張厥盛，鄭繼禹著.鎖相技術.西安：西安電子科技大學出版社，1989

　　
摘自　自動化與儀器儀表　

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