数字移相技术的分析和实现

    摘要：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。因此，移相技术有着广泛的实用价值。本文介绍两种基于单片机的数字移相方法，借以说明实现移相的原理，并对两种移相方法进行性能分析和比较。

    关键词：移相 单片机 D/A转换 计数器

两个同频信号之间的移相与实现方式

    所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是3600，则相差的范围就在0°～360°。

    要实现移相，通常有两个途径：

    一是直接对模拟信号进行移相，如阻容移相，变压器移相等，早期的移相通常采用这种方式。采用这种方式制造的移相器有许多不足之处，如：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等．在此不予讨论．另一个是随电子技术的发展，特别是单片机技术的发展而兴起的数字移相技术，是目前移相技术的潮流。数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。

    数字移相主要有两种形式：

    一种是先将正弦波信号数字化成，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后可通过两片D／A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号，当两片D／A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。当两片D／A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。

    另一种是先将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。

利用D/A转换实现移相

    图1给出了一个设计实例。单片机为8031，D／A转换芯片采用两片8位字长的DAC0832，由于DAC0832的输出信号为电流型，故需加运算放大器将电流型信号转换成电压型信号。该设计中运算放大器采用双极型双运放4558。转换所用的数据为256个8位字长的数据，随程序一起存入ROM存储器中，即一个信号周期有256个转换值。

    在进行D/A转换的程序中，数据表中数据共有256个，每两个相邻数据之间的相位差为360o÷256=1.4o。我们只需改变R1中的值就可改变两路正弦波的相位差。程序中R1＝8，故第一路正弦波滞后第二路正弦波1.4o×8＝11.2o。

利用单片机进行方波信号的移相

    利用单片机进行方波信号的移相则是数字移相的另一个途经，已有多种成功之作，有些偏重硬件，有些偏重软件。总体说来，偏重硬件的精度较高，但制造及调试较复杂;偏重软件,的结构简单，成本较低，但往往精度受影响。本文介绍一种己获得较为理想效果的设计。设计的原理框图如图2所示。

    工作原理：作为参考信号的A，经整形后得到方波信号a，再利用锁相技术对a作3600倍频，并将此倍频信号作为单片机中CTC的计数脉冲，以此来产生相移和测量移相的实际值。由于计数脉冲是通过锁相环产生的，在锁相环允许的频率范围内，计数脉冲始终是a信号的3600倍，因此，可以看成是将a信号的一个信号周期分为了3600份，且允许a的频率可在一个小的范围内波动。若一个信号周期为360o，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表0.1o。我们只需以a信号为参考，延时若干个计数脉冲的时间来产生c信号即可做到移相，改变延时计数脉冲的个数即可改变移相值，亦可记录两个信号的上沿(或下沿)间的脉冲个数来获得两信号的相位差。正是由于锁相环的存在，才使得移相信号B与参考信号A的频率完全相同。比起由软件测得A信号的周期后再来产生B信号的方式来，其精度要高得多。锁相环倍频的频率愈高则移相的最小单位愈小，若作7200倍频，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表0.05o。

    图3是以上述方式进行移相的时序图，设计数脉冲的频率是a信号的360o倍，那么从a信号的上沿开始经N个计数脉冲后产生c信号的上沿，则有a信号超前c信号 N×0.1o。但我们需要的是A信号与B信号之间的移相。A信号与a信号的相位是相同的，但c信号与B信号的相位，由于波形转换电路的存在而不相同，其相位差视波形转换电路的参数而定。故A信号与B信号之间的实际移相值无法由N×0.1o来计算。要获得A信号与B信号之间的实际移相值，可将B信号整形成b信号(两信号相位相同)后反馈给单片机，由单片机测量出a信号与b信号之间的计数脉冲个数n即可，实际移相值为n×0.10。改变N的值即可改变移相值。

    要实现上述设计，除需要用锁相环产生计数脉冲外，还需要三个16位的计数器，分别用来计N，n及180o的值。笔者将8032中的计数器作如下分配：T0计N的值、T1计n的值、T2计180o的值。T0、T1及T2的启停全部由中断服务程序控制。接线如图2所示。具体是：

    ① a信号的上沿产生INT0中断，其中断服务程序分别将-N及0赋给TH0TL0和TH1TL1；然后使T0、T1开始计数。

    ② T0归零，其中断服务程序关闭T0；置P3.0；-1800赋TH2TL2；使T2开始计数。

    ③ T2归零，其中断服务程序清P3.0；关闭T2。

    ④ b信号的上沿产生INT0中断，其中断服务程序关闭T1；读取TH1TL1的计数值n。

两种移相方式的性能比较

    通过以上介绍，我们可以看出：以D／A转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大(1.4o／步)。在50Hz频率下，要达到0.1o／步移相细度难以办到。因此，该方式只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合。

    以延时输出方波的方式实现的移相，其硬件电路比较复杂(锁相及波形变换电路)。输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以精确给定。移相的最小单位可小于0.1o／步，这就为无级移相提供了基础。因此，该方式可用于对频率要求高，且需360o无级移相的场合。