填充計(jì)數(shù)式相位測量的分析與實(shí)現(xiàn)
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要獲得兩個(gè)同頻信號間的相位值有多種實(shí)現(xiàn)方法。較為常用的一種是采用過零鑒相法，這種方法的基本要點(diǎn)是：將兩個(gè)同頻被測信號整形為兩個(gè)方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于被測信號的正向過零點(diǎn)和負(fù)向過零點(diǎn)，然后測量出這兩個(gè)同頻方波的前沿（或后沿）之間的時(shí)間差比例，即為這兩個(gè)被測信號之間的相位差，簡稱相差。
而要獲得這個(gè)時(shí)間差比例，通常采用填充計(jì)數(shù)法，其基本原理見圖1，設(shè)A，B為兩路同頻待測的正弦波信號，兩信號經(jīng)整形后形成A'和B'兩路方波，若A'的兩個(gè)前沿之間（一個(gè)信號周期）的計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)為N個(gè)，A'與B'的兩個(gè)相鄰前沿之間的計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)為n個(gè)，則A，B兩路之間的相位差為：
n/N * 360° (1)
從上述方法測量相位的原理來看，要獲得兩個(gè)同頻信號間的相位差，只要獲得兩個(gè)計(jì)數(shù)值N和n，通過(1)式計(jì)算即可。那么相位計(jì)算的分辯率就為3600/N ，也就是表示相差的最小單位。當(dāng)被測信號的頻率一定時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖的頻率就決定了相位測量的精度。如在一個(gè)信號周期內(nèi)所獲得的計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)為360個(gè)，則獲得相差的最小單位是3600/360=10（可看作是每個(gè)脈沖代表10）。若在一個(gè)信號周期內(nèi)所獲得的計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)為3600個(gè)，則獲得相差的最小單位就為3600/3600=0.10（可看作是每個(gè)脈沖代表0.10）。由此可見在一個(gè)信號周期內(nèi)所獲得的計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)越多，則獲得相位差的最小單位也就越小，精度也就越高。要達(dá)到0.10以上的精度，則計(jì)數(shù)脈沖的頻率必須是被測信號頻率的3600倍以上。設(shè)被測信號頻率為fx,計(jì)數(shù)脈沖頻率為fa ，則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：
fa>3600×fx (2)
三．利用MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)資源實(shí)現(xiàn)相位測量的分析
由于需要進(jìn)行計(jì)算，目前市場上流行的相位表，多數(shù)為單純利用MSC─51系列機(jī)片內(nèi)資源實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)與計(jì)算。在典型的MSC-51系列單機(jī)片內(nèi)，有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器（CTC0，CTC1），5個(gè)中斷源，時(shí)鐘頻率為3.8-12MHz ，這些都為實(shí)現(xiàn)相位差的測量與計(jì)算提供了一定的硬件基礎(chǔ)?？衫闷瑑?nèi)2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，（CTC0，CTC1）分別記錄前面所述的N和n的計(jì)數(shù)值。將CTC0，CTC1設(shè)置為定時(shí)方式（計(jì)片內(nèi)機(jī)器周期數(shù)）。兩個(gè)外部中斷INT0，INT1，設(shè)置成下沿觸發(fā)方式，并將上述A'，B'兩個(gè)方波信號接至INT0，INT1的輸入端。利用INT0和INT1的中斷服務(wù)程序來控制CTC0，CTC1的啟動(dòng)與停止，以此來獲取N和n的計(jì)數(shù)值。
由于MCS-51系列單片機(jī)的最高工作頻率為12MHZ，故CTC0，CTC1的最高計(jì)數(shù)頻率為1MHz。16位字長的CTC0和CTC1計(jì)數(shù)范圍是0ー65535。對于1MHz的計(jì)數(shù)頻率而言，輸入信號的頻率響應(yīng)范圍的下限是：在一個(gè)信號周期內(nèi)CTC的計(jì)數(shù)從零計(jì)到最大65535，而每一計(jì)數(shù)脈沖的周期是1μS（1MHz的計(jì)數(shù)脈沖）。故CTC從零計(jì)到最大值所需時(shí)間是：65535 * 1μS=65535μS，因而，輸入信號的最低頻率約為1/0.065535=15.26Hz。頻率響應(yīng)的上限是：雖然在一個(gè)信號周期內(nèi)CTC的計(jì)數(shù)值大于零即可計(jì)算，但為了使計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度（至少0.10），故記錄N值的CTC在一個(gè)信號周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值必須大于3600（因3600/3600=0.10）而CTC從零計(jì)數(shù)到3600所需時(shí)間為3600*1μS=3600μS。由此可得輸入信號的最高頻率約為1/0.0036=277.78Hz。
在最高的輸入信號頻率下，每一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖即代表0.10機(jī)器每多計(jì)或少計(jì)一個(gè)脈沖就意味著帶來一個(gè)0.10的誤差。另外由于CTC的啟停是由中斷服務(wù)程序來控制的，那么CTC啟停時(shí)刻不能絕對代表信號的下沿時(shí)刻，故誤差是不可避免。當(dāng)信號頻率較低時(shí)，其誤差尚可忽略。當(dāng)信號頻率越接近最高響應(yīng)頻率，其單片機(jī)所帶來的誤差就越不可忽略。以這樣的方式構(gòu)成的相位計(jì)，實(shí)際上的最高響應(yīng)頻率僅在100Hz左右。
四．高頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)
從以上分析得知，若僅利用單片機(jī)的資源來實(shí)現(xiàn)相差的測量，是無法以高精度測得較高頻率信號的相位差的。其關(guān)鍵所在是計(jì)數(shù)頻率已無法再提高。鑒于這點(diǎn)筆者考慮到不用單片機(jī)內(nèi)部的CTC計(jì)數(shù)，而是采用廉價(jià)的74系列芯片搭成高速計(jì)數(shù)，鎖存電路。當(dāng)計(jì)數(shù)值鎖定這后，再讀入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和顯示。
具體實(shí)現(xiàn)的電路圖如圖2所示。高速計(jì)數(shù)器由4片74LS191串聯(lián)組成16位計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)脈沖的輸入由一個(gè)觸發(fā)器控制，觸發(fā)器設(shè)計(jì)成自鎖式，即由被測的周期信號A'鎖定一個(gè)完整的信號周期后，封鎖計(jì)數(shù)脈沖的輸入 ，不再響應(yīng)后一個(gè)周期，待單片機(jī)處理完該周期內(nèi)的數(shù)據(jù)后，由單片機(jī)先對計(jì)數(shù)器清零，然后解除觸發(fā)器的封鎖，系統(tǒng)才繼續(xù)采集下一個(gè)信號周期的數(shù)據(jù)。周期計(jì)數(shù)鎖存器（記N值）由74LS373（U8），（U7）組成，相差計(jì)數(shù)鎖存器（記n值）由74LS373（U6），（U5）組成，其中（U5），（U7）鎖存低8位數(shù)據(jù)，（U6） ，（U8）鎖存高8位數(shù)據(jù)，當(dāng)A'信號的上沿來臨時(shí)，由觸發(fā)器打開U10門，開始計(jì)數(shù)。當(dāng)B' 信號的上沿來臨時(shí)，鎖存U6，U5（獲得n值）。當(dāng)A'信號的上沿再次來臨時(shí)，鎖存U8，U7（獲得N值）。并封鎖觸發(fā)器。通知單片機(jī)依次讀入U(xiǎn)5，U6，U7，U8的鎖存值進(jìn)行計(jì)算。高頻振蕩源采用高精度晶體振蕩器，以提供高精度的計(jì)數(shù)脈沖。
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