原创相位差测量方法的研究与应用

 2008-4-2 15:18  7001 8 8 分类: MCU/ 嵌入式

相位差测量方法的研究与应用

缪晓中，杜伟略

（无锡职业技术学院电子工程系，江苏　无锡214041）　　

　　摘　要：介绍一种用软件测量信号频率和相位差的方法，并提出对周期T和时间差ΔT扩展，进一步提高测量精度的方案。
　　关键词：频率；相位差；单片机

Research and Application of Phase Measurement

　　MIAOXiao－zhong，DUWei－lue

　　（Departmentof Electronics Engineering，WuxiInstitute of Technology，Wuxi214041，China）

　　Abstract：According to　the principle of　indirect frequency measurement，the method of　testing frequency and phase of signals by software is　presented．Toimprove accuracy of phase，the expansion of TandΔT　is proposed．　
　　Key words：frequency；phase；microprocessor

1　硬件设计

1．1　频率的测量

　　对频率的测量可采用先测周期T，然后通过公式f=1/T计算获得频率，即间接测量的方法。采用该方法的原因是：根据测频的误差分析，在f较低的场合，f越低，则T越大，计数器计得数N也越大，±1误差对测量结果的影响将减小。

　　如图1所示，被测信号（正弦）TX从B端输入，经脉冲形成电路后变成方波，加至门控电路。在此期间，石英晶体振荡器产生的时标脉冲通过主门，用计数器计脉冲个数。实质上以比较法为基础，将被测信号与时标信号的周期相比，通过计数器计数并以数字的形式显示出来。

　　受单片机内部时钟频率的限制，本文中的时标脉冲由外部石英晶体振荡器产生，而不采用单片机内部时钟。这样可以将精度提高一个数量级以上。

1．2　本文T和ΔT的测量原理

1．2．1　ΔT的实现过程

　　两个频率相同而相位不同的正弦信号V_i1＝Asinωt和V_i2＝Asinω（t＋ΔT），其波形如图3所示。这两个信号分别送入同相比较器U_1B和U_1A（如图2），与零电位比较，经整形后得到矩形脉冲V₁和V₂。其中V1送入D触发器U_2A的CLK时钟端，于是得到图3中Q₁波形。同理，V₂送入D触发器U_3A的CLK时钟端，得到Q2和波形。最后将Q1和送入与门U4A进行Q₁*相与，得到时间差脉冲ΔT，ΔT与相位差ΔΦ相对应（ΔΦ＝ωΔT）。

1．2．2　T的实现过程　
　

　　测周期的方法是在一个被测信号的周期内，记录定时脉冲的个数。用单片机89C52实现该法的关键是：准确检测出周期信号，并用该信号控制内部计数器T0累计基准脉冲个数。图2中，由U_2A、U_2B两个D触发器组成周期T测量电路，在单片机P1．6、P2．4控制下完成周期信号检测。当P2．4＝0时，触发器U_{2 A}（对应Q₁）和U_2B（对应Q₃）清零，即Q₁＝Q₃＝0，如图4所示。当P2．4由0→1后，在被测信号V1上升沿时U2A翻转（Q₁＝1），此时Q₃仍为0。当被测信号V₁第二次0→1时，U_{2 A}再次翻转（Q₁＝0），同时U_2B也翻转（Q₃＝1）。单片机查询到P1．6＝1时，让P2．4＝0，完成一次周期的检测。其波形如图4所示。

1．2．3　ΔT的测量精度及f测量范围

　　当送入计数器的计数脉冲频率为10MHz时，若用0．1°来标度其相位差，即测量ΔΦ精度要求达到0．1°，则：在半个周期内（ΔΦ＝180°）必须要有f＝10MHz的计数脉冲1800个，

同理：当要求精度为1°时，fmax＝27kHz。

　　在硬件设计时，考虑到单片机内部计数器位数限制（最高为16位，所以扩展了一个8位外部计数器A或B，使计数位数达到24位，以此提高分辨率）。

2　软件设计

　　本系统的控制软件采用模块化结构设计，各个功能子模块独立。整个软件分为主程序和频率测量子程序、相位差测量子程序。由于篇幅所限，下面只将相位差测量子程序介绍如下：

3　T和ΔT扩展方法的研究

　　为了适用更高频率信号的相位差测量，本仪器采用T和ΔT扩展方法，来提高在较高频率信号测量时相位差的测量精度。

3．1　误差分析

　　周期T_X＝T_S＊N，根据误差传递公式，可得：

即测量误差一方面决定于时标信号TS准不准，另一方面决定于计数器计的数准不准。其中第一项ΔN／N是数字化仪器所特有的误差，而第二项ΔT_S／T_S是时标信号的相对误差。

由上式可见，T_X愈大（即被测频率愈低），±1误差对测周期精确度的影响愈小。所以，为了提高测量精度，可采用提高周期T_X的方法。

3．2　T和ΔT的扩展方法

　　方法一：每次先测出信号频率f，然后根据其频率高低由软件决定分频级数，单片机送出模拟开关的控制信号，选通第n级分频器通路，然后再将分频后的信号送入测量电路，完成T的扩展。然而，对信号分频时，ΔT并未扩展。例如对信号二分频（如图6所示），信号周期扩展了两倍，而ΔT仍然保持不变。

　　方法二：由于对ΔT不能直接进行扩展，所以我们采用以下方法：例如要对ΔT进行八分频扩展，用电路产生8个（T＋ΔT）时间，然后再用8（T＋ΔT）－8 T＝8ΔT，从而实现ΔT的8分频。

4　结束语

　　实践表明，该相位测量系统当精确到±0．1°时，被测信号频率范围1Hz～20kHz。当精确到±1°时，被测信号频率范围1Hz～200kHz。因此该方法只有快速、精度高、通用性的特点。

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