用單片機實現(xiàn)數(shù)字相位變換器的設(shè)計方法

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

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

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轉(zhuǎn)換為相位變化信號。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計中，脈沖調(diào)相器是通過純硬件線路實現(xiàn)的，線路復(fù)雜、設(shè)計難度大、調(diào)試難度也較大。作者在旋轉(zhuǎn)變壓器鑒相型位置檢測系統(tǒng)中設(shè)計脈沖調(diào)相器時，改變傳統(tǒng)的純硬件設(shè)計方法，采用單片機實現(xiàn)脈沖調(diào)相，使硬件設(shè)計工作大大簡化，易于實現(xiàn)，且電路調(diào)試簡便。

1 脈沖調(diào)相器的工作原理

用一個頻率為fcp的時鐘脈沖去觸發(fā)一個容量為Ｍ的計數(shù)器時，如用四位二進制計數(shù)器，其容量為16，那么在計數(shù)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(fā)計數(shù)器的過程中，向計數(shù)器加入一個額外的脈沖，則由于計數(shù)器提前完成16個數(shù)的計數(shù)任務(wù)，而使得最后一級的輸出提前翻轉(zhuǎn)，從而使計數(shù)器的輸出產(chǎn)生了一個正的相移Δθ，如圖1(a)所示。同理，在時鐘脈沖觸發(fā)計數(shù)器的過程中，如果扣除一個脈沖，則由于計數(shù)器推遲完成16個數(shù)的計數(shù)任務(wù)而使最后一級的輸出延時翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生一個負的相移Δθ，如圖1(b)。

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

在上述旋轉(zhuǎn)變壓器鑒相型位置檢測系統(tǒng)中，要求脈沖調(diào)相器輸出400Hz的調(diào)相信號。一個脈沖產(chǎn)生的相移為Δθ＝1.8°，則計數(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 電路實現(xiàn)的功能

(1)產(chǎn)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(shù)脈沖觸發(fā)容量為200的計數(shù)器過程中，控制FB的反相信號插入計數(shù)脈沖，使計數(shù)器輸出信號相位前移；或阻塞進入計數(shù)器，即扣除脈沖，使計數(shù)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(jīng)二分頻器U1A分頻后產(chǎn)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(diào)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(shù)脈沖系列通過U4B觸發(fā)容量為100的計數(shù)器U6計數(shù)，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(diào)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，F(xiàn)B通過門U3B變成，并和同時進入門U4B，形成計數(shù)脈沖系列。由于FA和FB是異步信號，因此達到了在計數(shù)脈沖系列中插入脈沖的目的，使計數(shù)器U6A多計一個數(shù)，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(diào)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(shù)脈沖系列中減去脈沖的目的，使計數(shù)器U6A少計一個數(shù)，從而使U1B輸出信號相位后移，波形如圖4b所示。

3 軟件設(shè)計

程序設(shè)計的主要思路是：執(zhí)行正方向調(diào)相時，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)，實現(xiàn)插入N個的操作，參見圖4(a)；執(zhí)行負方向調(diào)相時，根據(jù)給定的脈沖數(shù)N，控制P1.2的狀態(tài)，實現(xiàn)阻塞N個的操作，參見圖4?b　。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(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
通過該系統(tǒng)的設(shè)計，體會到在一些復(fù)雜數(shù)字電路的設(shè)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(xiàn)其中的部分硬件電路功能，可降低設(shè)計難度、縮短研制時間、提高設(shè)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(yīng)用。
 
參考文獻
1 王潤孝，秦現(xiàn)生． 機床數(shù)控原理與系統(tǒng)． 西安：西北工業(yè)大學(xué)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(yè)出版社，1993
3 張友德，趙志英，涂時亮． 單片微型機原理、應(yīng)用與實驗． 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1992