基于單片機(jī)控制數(shù)字移相器的系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

簡 述

移相電路常用于同步檢測器的數(shù)據(jù)處理中。目前資料上有很多移相電路，其實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，大致可分為模擬式和數(shù)字式移相器兩類。模擬式移相器的電路較為復(fù)雜、線性差、測試精度低；數(shù)字式移相器大多以標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件按傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成，其缺點(diǎn)為功耗大、可靠性低。本文介紹的基于單片機(jī)控制的數(shù)字移相器，采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)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(tǒng)原理方框圖如圖1所示。

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要由輸入信號倍頻電路、AT89C51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、6116存儲器及鍵盤/顯示等電路構(gòu)成。

1.1輸入信號倍頻電路

倍頻電路由鎖相環(huán)CC4046及雙BCD同步加法計(jì)數(shù)器4518組成。4518作分頻器用，實(shí)現(xiàn)720分頻，其中，U3：A實(shí)現(xiàn)9分頻，U2實(shí)現(xiàn)80分頻。倍頻電路中鎖相環(huán)的輸入信號是經(jīng)過電壓比較電路把工頻信號變換成的方波信號。當(dāng)分頻器的輸出信號（U2：A的6腳輸出信號）與鎖相環(huán)的輸入信號fi相一致時(shí)，鎖相環(huán)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(zhuǎn)換的采樣點(diǎn)數(shù)及采樣的時(shí)間間隔（即一個(gè)周期采樣720個(gè)點(diǎn)）。二是控制D/A輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，從而達(dá)到輸入信號頻率與輸出信號頻率一致。

1.2單片機(jī)系統(tǒng)主電路

本電路主要由單片機(jī)AT89C51、鍵盤/顯示電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832、6116存儲器等構(gòu)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(shí)現(xiàn)移相的具體數(shù)值（度）的設(shè)置，功能鍵包括設(shè)置鍵、數(shù)字鍵（“↑”、“→”）、復(fù)位鍵、運(yùn)行鍵等五個(gè)鍵，最多可置720個(gè)0（720×0.5度=360度），因此可達(dá)到0～360度的相移。根據(jù)任意設(shè)定的相位數(shù)值，把相位及數(shù)據(jù)存儲到隊(duì)列（如圖4所示）中的相應(yīng)位置置0。顯示用四位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，最低位為小數(shù)位，其余3位為整數(shù)位，可顯示范圍為0.5～360度。

A/D實(shí)現(xiàn)對波形數(shù)據(jù)（幅度）的采集、轉(zhuǎn)換。A/D每采集一個(gè)點(diǎn)，就存入存儲器的隊(duì)列中。同樣D/A借助單片機(jī)先從隊(duì)列中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)，再由倍頻信號fo來控制D/A輸出數(shù)據(jù)的時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)循環(huán)輸出，因此達(dá)到了移相的目的。

另外，因D/AC0832模/數(shù)芯片輸出的波形存在毛刺，需要進(jìn)行濾波，通過實(shí)驗(yàn)，在其輸出端加一個(gè)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件的執(zhí)行過程為：首先，通過鍵盤設(shè)置移相的數(shù)值，同時(shí)在顯示器上顯示出移相的度數(shù)；其次，啟動(dòng)A/D把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入隊(duì)列，在A/D的轉(zhuǎn)換過程中，D/A從隊(duì)列中讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)后D/A輸出；第三，D/A不斷循環(huán)輸出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的移相后的工頻信號。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖6所示。

3結(jié)束語

該數(shù)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(jìn)行任意相位的移相，具有測量精度高、跟蹤速度快的特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)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。
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