填充计数式相位测量的分析与实现

一． 填充计数测量相位的原理

要获得两个同频信号间的相位值有多种实现方法。较为常用的一种是采用过零鉴相法，这种方法的基本要点是：将两个同频被测信号整形为两个方波信号，其前后沿分别对应于被测信号的正向过零点和负向过零点，然后测量出这两个同频方波的前沿（或后沿）之间的时间差比例，即为这两个被测信号之间的相位差，简称相差。

而要获得这个时间差比例，通常采用填充计数法，其基本原理见图1，设A，B为两路同频待测的正弦波信号，两信号经整形后形成A\'和B\'两路方波，若A\'的两个前沿之间（一个信号周期）的计数脉冲的个数为N个，A\'与B\'的两个相邻前沿之间的计数脉冲的个数为n个，则A，B两路之间的相位差为：

n/N * 360° (1)

二．计数脉冲频率与相位计算精度的关系

从上述方法测量相位的原理来看，要获得两个同频信号间的相位差，只要获得两个计数值N和n，通过(1)式计算即可。那么相位计算的分辩率就为3600/N ，也就是表示相差的最小单位。当被测信号的频率一定时，计数脉冲的频率就决定了相位测量的精度。如在一个信号周期内所获得的计数脉冲的个数为360个，则获得相差的最小单位是3600/360=10（可看作是每个脉冲代表10）。若在一个信号周期内所获得的计数脉冲的个数为3600个，则获得相差的最小单位就为3600/3600=0.10（可看作是每个脉冲代表0.10）。由此可见在一个信号周期内所获得的计数脉冲的个数越多，则获得相位差的最小单位也就越小，精度也就越高。要达到0.10以上的精度，则计数脉冲的频率必须是被测信号频率的3600倍以上。设被测信号频率为fx,计数脉冲频率为fa ，则设计时应满足：

fa>3600×fx (2)

三．利用MCS-51系列单片机片内资源实现相位测量的分析

由于需要进行计算，目前市场上流行的相位表，多数为单纯利用MSC─51系列机片内资源实现计数与计算。在典型的MSC-51系列单机片内，有2个16位的定时/计数器（CTC0，CTC1），5个中断源，时钟频率为3.8-12MHz ，这些都为实现相位差的测量与计算提供了一定的硬件基础。可利用片内2个定时/计数器，（CTC0，CTC1）分别记录前面所述的N和n的计数值。将CTC0，CTC1设置为定时方式（计片内机器周期数）。两个外部中断INT0，INT1，设置成下沿触发方式，并将上述A\'，B\'两个方波信号接至INT0，INT1的输入端。利用INT0和INT1的中断服务程序来控制CTC0，CTC1的启动与停止，以此来获取N和n的计数值。

由于MCS-51系列单片机的最高工作频率为12MHZ，故CTC0，CTC1的最高计数频率为1MHz。16位字长的CTC0和CTC1计数范围是0ー65535。对于1MHz的计数频率而言，输入信号的频率响应范围的下限是：在一个信号周期内CTC的计数从零计到最大65535，而每一计数脉冲的周期是1μS（1MHz的计数脉冲）。故CTC从零计到最大值所需时间是：65535 * 1μS=65535μS，因而，输入信号的最低频率约为1/0.065535=15.26Hz。频率响应的上限是：虽然在一个信号周期内CTC的计数值大于零即可计算，但为了使计算结果具有足够的精度（至少0.10），故记录N值的CTC在一个信号周期内的计数值必须大于3600（因3600/3600=0.10）而CTC从零计数到3600所需时间为3600*1μS=3600μS。由此可得输入信号的最高频率约为1/0.0036=277.78Hz。

在最高的输入信号频率下，每一个计数脉冲即代表0.10机器每多计或少计一个脉冲就意味着带来一个0.10的误差。另外由于CTC的启停是由中断服务程序来控制的，那么CTC启停时刻不能绝对代表信号的下沿时刻，故误差是不可避免。当信号频率较低时，其误差尚可忽略。当信号频率越接近最高响应频率，其单片机所带来的误差就越不可忽略。以这样的方式构成的相位计，实际上的最高响应频率仅在100Hz左右。

四．高频计数的实现

从以上分析得知，若仅利用单片机的资源来实现相差的测量，是无法以高精度测得较高频率信号的相位差的。其关键所在是计数频率已无法再提高。鉴于这点笔者考虑到不用单片机内部的CTC计数，而是采用廉价的74系列芯片搭成高速计数，锁存电路。当计数值锁定这后，再读入单片机进行计算和显示。

具体实现的电路图如图2所示。高速计数器由4片74LS191串联组成16位计数器。计数脉冲的输入由一个触发器控制，触发器设计成自锁式，即由被测的周期信号A\'锁定一个完整的信号周期后，封锁计数脉冲的输入 ，不再响应后一个周期，待单片机处理完该周期内的数据后，由单片机先对计数器清零，然后解除触发器的封锁，系统才继续采集下一个信号周期的数据。周期计数锁存器（记N值）由74LS373（U8），（U7）组成，相差计数锁存器（记n值）由74LS373（U6），（U5）组成，其中（U5），（U7）锁存低8位数据，（U6） ，（U8）锁存高8位数据，当A\'信号的上沿来临时，由触发器打开U10门，开始计数。当B\' 信号的上沿来临时，锁存U6，U5（获得n值）。当A\'信号的上沿再次来临时，锁存U8，U7（获得N值）。并封锁触发器。通知单片机依次读入U5，U6，U7，U8的锁存值进行计算。高频振荡源采用高精度晶体振荡器，以提供高精度的计数脉冲。 [page]

考虑到硬件资源的充分利用，硬件设计时将某些部件设计成公用，如相差计数和周期计数共用一个计数器。由于0≤n≤ N，故相差信号(B\'信号的上沿)必定会在一个信号周期内的某个时刻出现，可利用这一信号将相差计数值n从计数器上浮获而锁入相差计数锁存器。当一个完整的周期结束时（A\'信号的上沿再次出现），锁存周期计数值N（见图3）。

五．计数脉冲频率的设置与实现

如前面所述16位计数器的计数范围是0--65535。根据（1）式要获得足够的细度，在某一信号频率下计数范围应在[3600，65535]区间内。由于计数器的计数值与被测信号的频率成反比，与计数脉冲的频率成正比。即在某一固定的计数脉冲频率下，被测信号的频率越低（周期越长）则一个周期内所获得的计数脉冲的个数越多。反之越少。或在某一个固定的被测信号的频率下，计数脉冲的频率越多，则在一个信号周期内所获得的计数脉冲的个数就越多，反之就越少。若计数值为C，被测信号频率为fx，计数脉冲频率为fa，则有下式：

C= fa/fx （3）

由于是16位的计数器，C值应满足3600 < C < 65525在某一个fa下，被测信号频率fx就会被限制在一定的范围内。即

fa/65536 < fx < fa/3600

也就是fx的下限为 fa÷65535 Hz，上限是fa÷3600 Hz，从（4）式中可以看出某个fa，所对应fx其范围是有限的。要做到fx有一个较宽的频范围，单靠16位的计数器，用一个fa是不行的。故笔者在设计时，将计数脉冲源设计成有多档振荡频率的信号源，兼顾被测信号的低频区和高频区。由单片机根据读取的N值和计数器的溢出信号，通过电子开关U11，自动切换。当读取的N值太小时，切换到较高的计数频率，当计数器有溢出时，就切换到较低的计数频率。为了简单说明笔者将fa设为2M和10M两档。根据（4）式分析入下：

当fa=2M时： fx的下限为 2×106÷65535=30.5Hz
fx的上限为 2×106÷3600=555.6Hz

当fa=10M时：fx的下限为 10×106÷65535=152.6Hz
fx的上限为 10×106÷3600=2777.8Hz

从以上分析来看，从152.6Hz到 555.6Hz，两档计数频率应对这一频率区的被测信号是重叠的，即在该频率区内，这两档计数频率都满足（4）式，这个重叠区的存在是必要的，它保证了自动切换计数脉冲频率的操作不发生振荡。但重叠区不必这么大，在实际应用中，为了保证测量精度可通过程序将重叠区限制在200Hz至250Hz 这个范围内。