用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相位變換器的設(shè)計(jì)方法

摘 要： 介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相位變換器(又稱脈沖調(diào)相器)的一種設(shè)計(jì)方法。主要描述了數(shù)字相位變換器的工作原理，基于AT89C2051單片機(jī)的硬件電路的工作原理以及軟件設(shè)計(jì)的基本思想和程序設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字相位變換器 脈沖調(diào)相 AT89C2051單片機(jī)

數(shù)字相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，是鑒相型位置伺服系統(tǒng)中的主要控制線路。它的作用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，脈沖調(diào)相器是通過(guò)純硬件線路實(shí)現(xiàn)的，線路復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大、調(diào)試難度也較大。作者在旋轉(zhuǎn)變壓器鑒相型位置檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)脈沖調(diào)相器時(shí)，改變傳統(tǒng)的純硬件設(shè)計(jì)方法，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)相，使硬件設(shè)計(jì)工作大大簡(jiǎn)化，易于實(shí)現(xiàn)，且電路調(diào)試簡(jiǎn)便。

1 脈沖調(diào)相器的工作原理

用一個(gè)頻率為fcp的時(shí)鐘脈沖去觸發(fā)一個(gè)容量為Ｍ的計(jì)數(shù)器時(shí)，如用四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其容量為16，那么在計(jì)數(shù)器的最后一級(jí)輸出端可獲得一個(gè)頻率為1/16fcp的方波信號(hào)。如果在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器的過(guò)程中，向計(jì)數(shù)器加入一個(gè)額外的脈沖，則由于計(jì)數(shù)器提前完成16個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)任務(wù)，而使得最后一級(jí)的輸出提前翻轉(zhuǎn)，從而使計(jì)數(shù)器的輸出產(chǎn)生了一個(gè)正的相移Δθ，如圖1(a)所示。同理，在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器的過(guò)程中，如果扣除一個(gè)脈沖，則由于計(jì)數(shù)器推遲完成16個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)任務(wù)而使最后一級(jí)的輸出延時(shí)翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的相移Δθ，如圖1(b)。

Δθ與計(jì)數(shù)器容量有關(guān)，即Δθ=360°/M。如果在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器的過(guò)程中，向計(jì)數(shù)器加入或扣除的不止是一個(gè)脈沖，而是N個(gè)脈沖，則計(jì)數(shù)器輸出相移θ=NΔθ。

在上述旋轉(zhuǎn)變壓器鑒相型位置檢測(cè)系統(tǒng)中，要求脈沖調(diào)相器輸出400Hz的調(diào)相信號(hào)。一個(gè)脈沖產(chǎn)生的相移為Δθ＝1.8°，則計(jì)數(shù)器的容量應(yīng)為200，觸發(fā)脈沖的頻率應(yīng)為80kHz。

2 硬件電路

硬件電路如圖2所示。

2.1 電路實(shí)現(xiàn)的功能

(1)產(chǎn)生兩個(gè)頻率為80kHz的異步時(shí)鐘脈沖信號(hào)FA和FB；

(2)在時(shí)鐘脈沖FA的反相信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖觸發(fā)容量為200的計(jì)數(shù)器過(guò)程中，控制FB的反相信號(hào)插入計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)相位前移；或阻塞進(jìn)入計(jì)數(shù)器，即扣除脈沖，使計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)相位后移。

2.2 工作原理

頻率為160kHz的時(shí)鐘脈沖源CP160K經(jīng)二分頻器U1A分頻后產(chǎn)生兩個(gè)頻率為80kHz的方波信號(hào)Q和。Q和再分別與CP160K作與運(yùn)算，由門(mén)U3A和U4A分別輸出獲得兩個(gè)頻率為80kHz的異步脈沖信號(hào)和FB，波形如圖3所示。

無(wú)調(diào)相指令時(shí)，89C2051單片機(jī)將輸出位P1.2和P1.3均置成0。此時(shí)門(mén)U5A被打開(kāi)，門(mén)U3B被封鎖并輸出１，打開(kāi)門(mén)U4B，計(jì)數(shù)脈沖系列通過(guò)U4B觸發(fā)容量為100的計(jì)數(shù)器U6計(jì)數(shù)，在二分頻器U1B的第9腳輸出400Hz方波信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)接收到正調(diào)相指令時(shí)，將P1.2置為0，P1.3置為１，門(mén)U5A打開(kāi)，通過(guò)門(mén)U5A，此時(shí)U3B也打開(kāi)，F(xiàn)B通過(guò)門(mén)U3B變成，并和同時(shí)進(jìn)入門(mén)U4B，形成計(jì)數(shù)脈沖系列。由于FA和FB是異步信號(hào)，因此達(dá)到了在計(jì)數(shù)脈沖系列中插入脈沖的目的，使計(jì)數(shù)器U6A多計(jì)一個(gè)數(shù)，從而使二分頻器U1B輸出信號(hào)相位前移，工作波形如圖4a所示。

當(dāng)單片機(jī)接收到負(fù)調(diào)相指令時(shí)，將P1.2置為1，P1.3置為0。此時(shí)門(mén)U5A被封鎖并輸出1，時(shí)鐘脈沖被阻塞，同時(shí)門(mén)U3B被封鎖并輸出1，時(shí)鐘脈沖FB也被阻塞，達(dá)到了在計(jì)數(shù)脈沖系列中減去脈沖的目的，使計(jì)數(shù)器U6A少計(jì)一個(gè)數(shù)，從而使U1B輸出信號(hào)相位后移，波形如圖4b所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的主要思路是：執(zhí)行正方向調(diào)相時(shí)，根據(jù)給定的脈沖數(shù)(假設(shè)脈沖數(shù)為N)，控制P1.3的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)插入N個(gè)的操作，參見(jiàn)圖4(a)；執(zhí)行負(fù)方向調(diào)相時(shí)，根據(jù)給定的脈沖數(shù)N，控制P1.2的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)阻塞N個(gè)的操作，參見(jiàn)圖4b　。程序框圖如圖5所示，程序清單見(jiàn)程序1和程序2，其中寄存器Ｂ中存放給定脈沖數(shù)N。

程序1：正方向調(diào)相程序
MA6： MOV A，B
JZ MA4
MA7： JB P1.6 $
JNB P1.6 $
NOP
SETB P1.3
JB P3.1 $
JNB P3.1 $
CLR P1.3
DJNZ B MA7
MA4 RET
程序2： 負(fù)方向調(diào)相程序

MA8： MOV A， B
JZ MA9
MA10： JB P1.6 $
JNB P1.6 $
NOP
SETB P1.2
JB P1.6 $
JNB P1.6 $
CLR P1.2
DJNZ B MA10
MA9 RET
通過(guò)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，體會(huì)到在一些復(fù)雜數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，如果處理速度允許，采用類(lèi)似AT89C2051的低價(jià)位單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其中的部分硬件電路功能，可降低設(shè)計(jì)難度、縮短研制時(shí)間、提高設(shè)計(jì)效率。隨著微機(jī)處理速度的不斷提高，這種方法會(huì)獲得更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
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