用單片機實現數字相位變換器的設計方法

摘 要： 介紹了用單片機實現數字相位變換器(又稱脈沖調相器)的一種設計方法。主要描述了數字相位變換器的工作原理，基于AT89C2051單片機的硬件電路的工作原理以及軟件設計的基本思想和程序設計方法。

關鍵詞： 數字相位變換器 脈沖調相 AT89C2051單片機

數字相位變換器又稱脈沖調相器，是鑒相型位置伺服系統中的主要控制線路。它的作用是將脈沖信號轉換為相位變化信號。在傳統的系統設計中，脈沖調相器是通過純硬件線路實現的，線路復雜、設計難度大、調試難度也較大。作者在旋轉變壓器鑒相型位置檢測系統中設計脈沖調相器時，改變傳統的純硬件設計方法，采用單片機實現脈沖調相，使硬件設計工作大大簡化，易于實現，且電路調試簡便。

1 脈沖調相器的工作原理

用一個頻率為fcp的時鐘脈沖去觸發一個容量為Ｍ的計數器時，如用四位二進制計數器，其容量為16，那么在計數器的最后一級輸出端可獲得一個頻率為1/16fcp的方波信號。如果在時鐘脈沖觸發計數器的過程中，向計數器加入一個額外的脈沖，則由于計數器提前完成16個數的計數任務，而使得最后一級的輸出提前翻轉，從而使計數器的輸出產生了一個正的相移Δθ，如圖1(a)所示。同理，在時鐘脈沖觸發計數器的過程中，如果扣除一個脈沖，則由于計數器推遲完成16個數的計數任務而使最后一級的輸出延時翻轉，從而導致其輸出產生一個負的相移Δθ，如圖1(b)。

Δθ與計數器容量有關，即Δθ=360°/M。如果在時鐘脈沖觸發計數器的過程中，向計數器加入或扣除的不止是一個脈沖，而是N個脈沖，則計數器輸出相移θ=NΔθ。

在上述旋轉變壓器鑒相型位置檢測系統中，要求脈沖調相器輸出400Hz的調相信號。一個脈沖產生的相移為Δθ＝1.8°，則計數器的容量應為200，觸發脈沖的頻率應為80kHz。

2 硬件電路

硬件電路如圖2所示。

2.1 電路實現的功能

(1)產生兩個頻率為80kHz的異步時鐘脈沖信號FA和FB；

(2)在時鐘脈沖FA的反相信號作為計數脈沖觸發容量為200的計數器過程中，控制FB的反相信號插入計數脈沖，使計數器輸出信號相位前移；或阻塞進入計數器，即扣除脈沖，使計數器輸出信號相位后移。

2.2 工作原理

頻率為160kHz的時鐘脈沖源CP160K經二分頻器U1A分頻后產生兩個頻率為80kHz的方波信號Q和。Q和再分別與CP160K作與運算，由門U3A和U4A分別輸出獲得兩個頻率為80kHz的異步脈沖信號和FB，波形如圖3所示。

無調相指令時，89C2051單片機將輸出位P1.2和P1.3均置成0。此時門U5A被打開，門U3B被封鎖并輸出１，打開門U4B，計數脈沖系列通過U4B觸發容量為100的計數器U6計數，在二分頻器U1B的第9腳輸出400Hz方波信號。當單片機接收到正調相指令時，將P1.2置為0，P1.3置為１，門U5A打開，通過門U5A，此時U3B也打開，FB通過門U3B變成，并和同時進入門U4B，形成計數脈沖系列。由于FA和FB是異步信號，因此達到了在計數脈沖系列中插入脈沖的目的，使計數器U6A多計一個數，從而使二分頻器U1B輸出信號相位前移，工作波形如圖4a所示。

當單片機接收到負調相指令時，將P1.2置為1，P1.3置為0。此時門U5A被封鎖并輸出1，時鐘脈沖被阻塞，同時門U3B被封鎖并輸出1，時鐘脈沖FB也被阻塞，達到了在計數脈沖系列中減去脈沖的目的，使計數器U6A少計一個數，從而使U1B輸出信號相位后移，波形如圖4b所示。

3 軟件設計

程序設計的主要思路是：執行正方向調相時，根據給定的脈沖數(假設脈沖數為N)，控制P1.3的狀態，實現插入N個的操作，參見圖4(a)；執行負方向調相時，根據給定的脈沖數N，控制P1.2的狀態，實現阻塞N個的操作，參見圖4b　。程序框圖如圖5所示，程序清單見程序1和程序2，其中寄存器Ｂ中存放給定脈沖數N。

程序1：正方向調相程序
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： 負方向調相程序

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
通過該系統的設計，體會到在一些復雜數字電路的設計中，如果處理速度允許，采用類似AT89C2051的低價位單片機來實現其中的部分硬件電路功能，可降低設計難度、縮短研制時間、提高設計效率。隨著微機處理速度的不斷提高，這種方法會獲得更廣泛的應用。

參考文獻
1 王潤孝，秦現生． 機床數控原理與系統． 西安：西北工業大學出版社，1997
2 電子工程手冊編委會．中外集成電路簡明速查手冊．北京：電子工業出版社，1993
3 張友德，趙志英，涂時亮． 單片微型機原理、應用與實驗． 上海：復旦大學出版社，1992