數(shù)字移相技術(shù)的分析和實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)移相，通常有兩個(gè)途徑：

一是直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(fù)載和時(shí)間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等．在此不予討論．另一個(gè)是隨電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的數(shù)字移相技術(shù)，是目前移相技術(shù)的潮流。數(shù)字移相技術(shù)的核心是：先將模擬信號(hào)或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號(hào)。

數(shù)字移相主要有兩種形式：

一種是先將正弦波信號(hào)數(shù)字化成，并形一張數(shù)據(jù)表存入ROM芯片中，此后可通過(guò)兩片D／A轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)的控制下連續(xù)地循環(huán)輸出該數(shù)據(jù)表，就可獲得兩路正弦波信號(hào)，當(dāng)兩片D／A轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列完全相同時(shí)，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號(hào)無(wú)相位差，稱為同相。當(dāng)兩片D／A轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時(shí)，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號(hào)就存在著相位差。相位差的值與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為信號(hào)間的相位值。

另一種是先將參考信號(hào)整形為方波信號(hào)，并以此信號(hào)為基準(zhǔn)，延時(shí)產(chǎn)生另一個(gè)同頻的方波信號(hào)，再通過(guò)波形變換電路將方波信號(hào)還原成正弦波信號(hào)。以延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)決定兩信號(hào)間的相位值。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將延時(shí)的時(shí)間映射為信號(hào)間的相位值。

圖1給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。單片機(jī)為8031，D／A轉(zhuǎn)換芯片采用兩片8位字長(zhǎng)的DAC0832，由于DAC0832的輸出信號(hào)為電流型，故需加運(yùn)算放大器將電流型信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓型信號(hào)。該設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器采用雙極型雙運(yùn)放4558。轉(zhuǎn)換所用的數(shù)據(jù)為256個(gè)8位字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，隨程序一起存入ROM存儲(chǔ)器中，即一個(gè)信號(hào)周期有256個(gè)轉(zhuǎn)換值。

在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的程序中，數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)共有256個(gè)，每?jī)蓚€(gè)相鄰數(shù)據(jù)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(jī)進(jìn)行方波信號(hào)的移相則是數(shù)字移相的另一個(gè)途經(jīng)，已有多種成功之作，有些偏重硬件，有些偏重軟件?？傮w說(shuō)來(lái)，偏重硬件的精度較高，但制造及調(diào)試較復(fù)雜;偏重軟件,的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的原理框圖如圖2所示。

工作原理：作為參考信號(hào)的A，經(jīng)整形后得到方波信號(hào)a，再利用鎖相技術(shù)對(duì)a作3600倍頻，并將此倍頻信號(hào)作為單片機(jī)中CTC的計(jì)數(shù)脈沖，以此來(lái)產(chǎn)生相移和測(cè)量移相的實(shí)際值。由于計(jì)數(shù)脈沖是通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生的，在鎖相環(huán)允許的頻率范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)脈沖始終是a信號(hào)的3600倍，因此，可以看成是將a信號(hào)的一個(gè)信號(hào)周期分為了3600份，且允許a的頻率可在一個(gè)小的范圍內(nèi)波動(dòng)。若一個(gè)信號(hào)周期為360o，那么在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖即代表0.1o。我們只需以a信號(hào)為參考，延時(shí)若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生c信號(hào)即可做到移相，改變延時(shí)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)即可改變移相值，亦可記錄兩個(gè)信號(hào)的上沿(或下沿)間的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)獲得兩信號(hào)的相位差。正是由于鎖相環(huán)的存在，才使得移相信號(hào)B與參考信號(hào)A的頻率完全相同。比起由軟件測(cè)得A信號(hào)的周期后再來(lái)產(chǎn)生B信號(hào)的方式來(lái)，其精度要高得多。鎖相環(huán)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(gè)信號(hào)周期內(nèi)每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖即代表0.05o。

圖3是以上述方式進(jìn)行移相的時(shí)序圖，設(shè)計(jì)數(shù)脈沖的頻率是a信號(hào)的360o倍，那么從a信號(hào)的上沿開(kāi)始經(jīng)N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后產(chǎn)生c信號(hào)的上沿，則有a信號(hào)超前c信號(hào) N×0.1o。但我們需要的是A信號(hào)與B信號(hào)之間的移相。A信號(hào)與a信號(hào)的相位是相同的，但c信號(hào)與B信號(hào)的相位，由于波形轉(zhuǎn)換電路的存在而不相同，其相位差視波形轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)而定。故A信號(hào)與B信號(hào)之間的實(shí)際移相值無(wú)法由N×0.1o來(lái)計(jì)算。要獲得A信號(hào)與B信號(hào)之間的實(shí)際移相值，可將B信號(hào)整形成b信號(hào)(兩信號(hào)相位相同)后反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)測(cè)量出a信號(hào)與b信號(hào)之間的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)n即可，實(shí)際移相值為n×0.10。改變N的值即可改變移相值。

要實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，除需要用鎖相環(huán)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖外，還需要三個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，分別用來(lái)計(jì)N，n及180o的值。筆者將8032中的計(jì)數(shù)器作如下分配：T0計(jì)N的值、T1計(jì)n的值、T2計(jì)180o的值。T0、T1及T2的啟停全部由中斷服務(wù)程序控制。接線如圖2所示。具體是：

① a信號(hào)的上沿產(chǎn)生INT0中斷，其中斷服務(wù)程序分別將-N及0賦給TH0TL0和TH1TL1；然后使T0、T1開(kāi)始計(jì)數(shù)。

② T0歸零，其中斷服務(wù)程序關(guān)閉T0；置P3.0；-1800賦TH2TL2；使T2開(kāi)始計(jì)數(shù)。

③ T2歸零，其中斷服務(wù)程序清P3.0；關(guān)閉T2。

④ b信號(hào)的上沿產(chǎn)生INT0中斷，其中斷服務(wù)程序關(guān)閉T1；讀取TH1TL1的計(jì)數(shù)值n。

通過(guò)以上介紹，我們可以看出：以D／A轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)的移相，雖然所用元件少，但輸出信號(hào)的頻率難以細(xì)調(diào)，特別是移相的最小單位太大(1.4o／步)。在50Hz頻率下，要達(dá)到0.1o／步移相細(xì)度難以辦到。因此，該方式只適合于對(duì)頻率要求不高，且移相角度固定的場(chǎng)合。

以延時(shí)輸出方波的方式實(shí)現(xiàn)的移相，其硬件電路比較復(fù)雜(鎖相及波形變換電路)。輸出信號(hào)的頻率以參考信號(hào)的頻率為準(zhǔn)，而參考信號(hào)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(wú)級(jí)移相提供了基礎(chǔ)。因此，該方式可用于對(duì)頻率要求高，且需360o無(wú)級(jí)移相的場(chǎng)合?！?/font>