同頻正弦信號間相位差測量的設計

　　本設計目的在于測量出任意兩相同頻率正弦信號之間的相位差，并將測量結果以數字形式顯示出來。具體實現方法為：先通過比較電路將兩路同頻信號分別轉換為相應的脈沖信號，然后將其中的一路信號通過反相器取反后與另一路信號相與，得到一等脈寬的脈沖波形，此脈沖波形的脈寬t，即表示兩信號的相位差。將原信號對應的任意一路脈沖信號（周期為T）倍頻后，作為單片機計數器的計數脈沖，并對相位差脈沖記數，得記數值為W。設倍頻電路的倍頻系數為A，則記數脈沖周期為T／A，可得到兩信號相位差角計算公式如下：

其中N＝360／A，N為常數，是相位測量系統的最小精確度。
　　經過單片機系統編程即可實現此簡單運算式，并將運算結果Q送LED顯示。原理框圖如圖1所示。

2　系統硬件電路原理分析與設計
　　整個系統硬件電路由比較整形電路、倍頻電路、單片機AT89C51及顯示電路組成。
2．1　比較整形電路
電路采用電壓比較器LM339。LM339內有4個電壓比較器，取其中的兩個比較器即可。兩路信號分別接兩個比較器同相輸入端，將反相輸入端接地，即構成過零比較電路。兩比較器輸出即轉換為脈沖信號。將其中一路脈沖通過反相器CC4069取反后與另一路信號通過與門CC4081相與，可得一等脈寬的脈沖信號，此脈寬即記載著兩輸入信號之間的相位差，我們稱之為相位差脈寬。轉換過程見圖2。

　　單片機需要處理2路輸入脈沖，分別為相位差脈沖和經過倍頻電路得到的計數脈沖。要求在相位差脈沖為高電平時對記數脈沖進行計數，并對計數值進行軟件處理并予以顯示。因此，可將相位差脈沖作為計數器工作的門控脈沖，從AT89C51的P3．2／INT0管腳輸入，而將計數脈沖從P3．4／T0管腳輸入，這樣，門控制位GATE0使定時器T0的啟動計數受INT0的控制。當GATE0和TR0均為1時，只有引腳P3．2／INT0輸入為高電平，T0才允許計數。利用GATE0的這個功能，可以方便地檢測出相位差脈寬的外部記數脈沖值W。
　　根據計算公式Q＝W×N＝0．5W即可求出相位差值。將數據Q送顯示電路顯示，由于相位差值Q的范圍為0～180°，考慮到可能有一位小數位（W為奇數時），因此采用4位8段LED數碼管顯示。設計中將AT89C51的P0口作為8段顯示的段選位，P0．0～P0．7分別對應數碼管的a b c d e f g h段。將P2口作為位選位，P2．0～P2．3分別對應從高到低的4位數碼管位選端，采用動態掃描顯示技術。由于該種顯示電路較為簡單，在此不再贅述。
　　當單片機定時器／計數器用作計數器，來自相應的外部輸入引腳T0或T1的計數脈沖信號產生由1至0的跳變時，計數器的值增1。由于確定一次下跳變要花2個機器周期，即24個振蕩器周期，因此，外部輸入的計數脈沖最高頻率為振蕩器頻率的1／24。此系統采用6MHz的晶體振蕩器，可以計算出被測信號可達到的最大頻率為：6000000／24／720＝347 Hz。因此，此系統可測量的輸入信號頻率范圍為：0～347Hz。
3　軟件設計
　　本系統軟件主要是對相位差脈沖進行計數，并對數值進行換算處理，同時在顯示器上顯示出相位差的度數值。系統軟件流程框圖如圖5所示。

4　結束語
　　此系統可以測量一定頻率范圍內兩同頻正弦信號之間的相位差，并能達到一穩定的測量精度（0．5°）。在實際應用中，可以通過增加倍頻電路的倍頻系數來提高測量精度，單片機系統可采用更高的晶振頻率來增加頻率測量范圍。