同频正弦信号间相位差测量的设计 论文

### 同频正弦信号间相位差测量的设计 #### 摘要 本文介绍了一种基于单片机为核心的系统设计，用于测量两个相同频率正弦信号间的相位差，并以数字形式显示测量结果。该设计通过使用倍频电路提高了测量精度。文中详细介绍了系统的硬件与软件设计。 #### 关键词 - 单片机 - 倍频电路 - 相位差 #### 引言 本设计旨在开发一种能够精确测量任意两个相同频率正弦信号之间相位差的方法，并将测量结果以数字化的形式呈现。该系统的基本工作原理包括以下几个步骤： 1. **信号转换**：首先通过比较电路将两个同频信号转换为脉冲信号。 2. **信号处理**：接着，其中一个脉冲信号经过反相处理后与另一个信号进行逻辑“与”操作，得到一个宽度代表相位差的脉冲波形。 3. **相位差计算**：其中一个原始信号通过倍频电路后作为单片机计数器的计数脉冲，同时记录上述相位差脉冲的宽度，通过简单的数学计算得出相位差。 #### 系统硬件电路原理分析与设计 ##### 整形电路 本系统采用电压比较器LM339来完成信号的整形。LM339内部包含四个独立的电压比较器，本设计仅使用其中的两个。通过将两个信号分别连接到电压比较器的同相输入端，且将反相输入端接地，可以构建出过零比较电路，进而将输入的正弦信号转换为方波信号。 ##### 倍频电路 为了提高相位差测量的精度，设计中采用了倍频系数\( A = 720 \)的倍频电路。这意味着测量系统的最小精确度可达\( N = \frac{360}{720} = 0.5^\circ \)。倍频电路主要包括锁相环集成电路CC4046和双BCD（二进制编码十进制）同步加法计数器CC4518。这两部分共同实现了10分频和72分频的功能，最终输出信号的频率为输入信号频率的720倍。 ##### 单片机处理及显示电路 单片机选用的是AT89C51，其主要负责数据处理和显示控制。系统中需要处理两种脉冲信号：相位差脉冲和倍频后的计数脉冲。计数脉冲通过单片机的P3.4/T0管脚输入，而相位差脉冲则通过P3.2/INT0管脚输入，通过设置门控位GATE0使得计数器T0的启动受INT0控制。当GATE0和TR0均为1时，且P3.2/INT0为高电平，计数器T0才开始计数。 显示电路采用4位8段LED数码管，通过P0口控制段选，P2口控制位选，采用动态扫描技术实现数字显示。根据上述设计，系统可以测量的输入信号频率范围为0~347Hz。 #### 软件设计 软件设计主要包括以下几个方面： 1. **初始化**：配置单片机的工作模式，初始化计数器和中断。 2. **计数处理**：通过外部中断服务程序捕获相位差脉冲的宽度，并进行计数。 3. **结果显示**：将计算出的相位差值显示在LED数码管上。 #### 结束语 本文介绍的系统可以有效地测量一定频率范围内两个同频正弦信号之间的相位差，并具有较高的测量精度（0.5°）。通过调整倍频电路的倍频系数，还可以进一步提高测量精度。该设计适用于多种应用场景，例如电子工程中的信号分析、通信系统中的同步控制等领域。