數字移相技術的分析和實現

要實現移相，通常有兩個途徑：

一是直接對模擬信號進行移相，如阻容移相，變壓器移相等，早期的移相通常采用這種方式。采用這種方式制造的移相器有許多不足之處，如：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負載和時間等因素的影響而產生漂移等．在此不予討論．另一個是隨電子技術的發展，特別是單片機技術的發展而興起的數字移相技術，是目前移相技術的潮流。數字移相技術的核心是：先將模擬信號或移相角數字化，經移相后再還原成模擬信號。

數字移相主要有兩種形式：

一種是先將正弦波信號數字化成，并形一張數據表存入ROM芯片中，此后可通過兩片D／A轉換芯片在單片機的控制下連續地循環輸出該數據表，就可獲得兩路正弦波信號，當兩片D／A轉換芯片所獲得的數據序列完全相同時，則轉換所得到的兩路正弦波信號無相位差，稱為同相。當兩片D／A轉換芯片所獲得的數據序列不同時，則轉換所得到的兩路正弦波信號就存在著相位差。相位差的值與數據表中數據的總個數及數據地址的偏移量有關。這種處理方式的實質是將數據地址的偏移量映射為信號間的相位值。

另一種是先將參考信號整形為方波信號，并以此信號為基準，延時產生另一個同頻的方波信號，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號。以延時的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實質是將延時的時間映射為信號間的相位值。

圖1給出了一個設計實例。單片機為8031，D／A轉換芯片采用兩片8位字長的DAC0832，由于DAC0832的輸出信號為電流型，故需加運算放大器將電流型信號轉換成電壓型信號。該設計中運算放大器采用雙極型雙運放4558。轉換所用的數據為256個8位字長的數據，隨程序一起存入ROM存儲器中，即一個信號周期有256個轉換值。

在進行D/A轉換的程序中，數據表中數據共有256個，每兩個相鄰數據之間的相位差為360o÷256=1.4o。我們只需改變R1中的值就可改變兩路正弦波的相位差。程序中R1＝8，故第一路正弦波滯后第二路正弦波1.4o×8＝11.2o。

利用單片機進行方波信號的移相則是數字移相的另一個途經，已有多種成功之作，有些偏重硬件，有些偏重軟件。總體說來，偏重硬件的精度較高，但制造及調試較復雜;偏重軟件,的結構簡單，成本較低，但往往精度受影響。本文介紹一種己獲得較為理想效果的設計。設計的原理框圖如圖2所示。

工作原理：作為參考信號的A，經整形后得到方波信號a，再利用鎖相技術對a作3600倍頻，并將此倍頻信號作為單片機中CTC的計數脈沖，以此來產生相移和測量移相的實際值。由于計數脈沖是通過鎖相環產生的，在鎖相環允許的頻率范圍內，計數脈沖始終是a信號的3600倍，因此，可以看成是將a信號的一個信號周期分為了3600份，且允許a的頻率可在一個小的范圍內波動。若一個信號周期為360o，那么在一個信號周期內每個計數脈沖即代表0.1o。我們只需以a信號為參考，延時若干個計數脈沖的時間來產生c信號即可做到移相，改變延時計數脈沖的個數即可改變移相值，亦可記錄兩個信號的上沿(或下沿)間的脈沖個數來獲得兩信號的相位差。正是由于鎖相環的存在，才使得移相信號B與參考信號A的頻率完全相同。比起由軟件測得A信號的周期后再來產生B信號的方式來，其精度要高得多。鎖相環倍頻的頻率愈高則移相的最小單位愈小，若作7200倍頻，那么在一個信號周期內每個計數脈沖即代表0.05o。

圖3是以上述方式進行移相的時序圖，設計數脈沖的頻率是a信號的360o倍，那么從a信號的上沿開始經N個計數脈沖后產生c信號的上沿，則有a信號超前c信號 N×0.1o。但我們需要的是A信號與B信號之間的移相。A信號與a信號的相位是相同的，但c信號與B信號的相位，由于波形轉換電路的存在而不相同，其相位差視波形轉換電路的參數而定。故A信號與B信號之間的實際移相值無法由N×0.1o來計算。要獲得A信號與B信號之間的實際移相值，可將B信號整形成b信號(兩信號相位相同)后反饋給單片機，由單片機測量出a信號與b信號之間的計數脈沖個數n即可，實際移相值為n×0.10。改變N的值即可改變移相值。

要實現上述設計，除需要用鎖相環產生計數脈沖外，還需要三個16位的計數器，分別用來計N，n及180o的值。筆者將8032中的計數器作如下分配：T0計N的值、T1計n的值、T2計180o的值。T0、T1及T2的啟停全部由中斷服務程序控制。接線如圖2所示。具體是：

① a信號的上沿產生INT0中斷，其中斷服務程序分別將-N及0賦給TH0TL0和TH1TL1；然后使T0、T1開始計數。

② T0歸零，其中斷服務程序關閉T0；置P3.0；-1800賦TH2TL2；使T2開始計數。

③ T2歸零，其中斷服務程序清P3.0；關閉T2。

④ b信號的上沿產生INT0中斷，其中斷服務程序關閉T1；讀取TH1TL1的計數值n。

通過以上介紹，我們可以看出：以D／A轉換方式實現的移相，雖然所用元件少，但輸出信號的頻率難以細調，特別是移相的最小單位太大(1.4o／步)。在50Hz頻率下，要達到0.1o／步移相細度難以辦到。因此，該方式只適合于對頻率要求不高，且移相角度固定的場合。

以延時輸出方波的方式實現的移相，其硬件電路比較復雜(鎖相及波形變換電路)。輸出信號的頻率以參考信號的頻率為準，而參考信號的頻率則可以精確給定。移相的最小單位可小于0.1o／步，這就為無級移相提供了基礎。因此，該方式可用于對頻率要求高，且需360o無級移相的場合。■

參考資料

1王秉時.移相技術的發展與移相器產品的進步.電測與儀表，1998(3)

2 沈德金.陳粵初. MCS-51系列單片機接口電路與應用程序實例.北京航空航天大學出版杜