用单片机实现数字相位变换器的设计方法

数字相位变换器又称脉冲调相器，是鉴相型位置伺服系统中的主要控制线路。它的作用是将脉冲信号转换为相位变化信号。在传统的系统设计中，脉冲调相器是通过纯硬件线路实现的，线路复杂、设计难度大、调试难度也较大。作者在旋转变压器鉴相型位置检测系统中设计脉冲调相器时，改变传统的纯硬件设计方法，采用单片机实现脉冲调相，使硬件设计工作大大简化，易于实现，且电路调试简便。

1 脉冲调相器的工作原理

用一个频率为fcp的时钟脉冲去触发一个容量为M的计数器时，如用四位二进制计数器，其容量为16，那么在计数器的最后一级输出端可获得一个频率为 1/16fcp的方信号。如果在时钟脉冲触发计数器的过程中，向计数器加入一个额外的脉冲，则由于计数器提前完成16个数的计数任务，而使得最后一级的输出提前翻转，从而使最后一级的输出提前翻转，从而使计数器的输出产生了一个正的相移Δθ，如图（a）所示。同理，在时钟脉冲触发计数器的过程中，如果扣除一个脉冲，则由于计数器推迟完成16个数的计数任务而最后一级的输出延时翻转，从而导致其输出产生一个负的相移Δθ，如图1（b）。Δθ与计数器容量有关，即Δθ=360°/M。如果在时钟脉冲触发计数器的过程中，向计数器加入或扣除的不止是一个脉冲，而是N个脉冲，则计数器输出相移θ=NΔθ。

在上述旋转变压器鉴相型位置检测系统中，要求脉冲调相器输出400Hz的调相信号。一个脉冲产生的相移为Δθ=1.8°，则计数器的容量应为200，触发脉冲的频率应为80kHz。

2 硬件电路

硬件电路如图2所示。

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2.1 电路实现的功能

（1）产生两个频率为80kHz的异步时钟脉冲的信号FA和FB；

（2）在时钟脉冲FA的反相信号FA作为计数脉冲触发容量为200的计数器过程中，控制FB的反相信号FB插入计数脉冲，使计数器输出信号相位前移；或阻塞FA进入计数器，即扣除脉冲，使计数器输出信号相位后移。

2.2 工作原理

频率为160kHz的时钟脉冲源CP160K经二分频器U1A分频后产生两个频率为80kHz的方波信号Q和Q。Q和Q再分别与CP160K作与运算，由门U3A和U4A分别输出，获得两个频率为80kHz的异步脉冲信号FA和FB，波形如图3所示。

无调相指令时，89C2051单片机将输出位P1.2和P1.3均置成0。此时门U5A被打开，门 U3B被封锁并输出1，打开门U4B，计数脉冲系列FA通过U4B触发容量为100的计数器U6计数，在二分频器U1B的第9脚输出400Hz方波信号。当单片机接收到正确相指令时，将P1.2置为0，P1.3 置为1，门U5A打开，FA通过门U5A，此时U3B也打开，FB通过门U3B变成FB，并和FA同时进入门U4B,形成计数脉冲系列。由于FA和FB是异步信号，因此达到了在计数脉冲系列FA中插入脉冲的目的，使计数器U6A多计一个数，从而使二分频器U1B输出信号相位前移，工作波形如图4（a）所示。当单片机接收到负调相指令时，将P1.2置为1，P1.3置为0.此时门U5A被封锁并输出1，时钟脉冲FA被阻塞，同时门U3B被封锁并输出1，时钟脉冲FB被阻塞，同时门U3B被封锁并输出1，时钟脉冲的FB也被阻塞，达到了在计数脉冲系列FA中减去脉冲的目的，使计数器U6A少计一个数，从而使 U1B输出信号相位后移，波形如图4（b）所示。[page]

3 软件设计

程序设计的主要思路是：执行正方向调相时，根据给定的脉冲数（假设脉冲数为N），控制P1.3的状态，实现插入N个FB的操作，能见图4（a）；执行 P1.3的状态，实现插入N个控制P1.2的状态，实现阻塞N个FA的操作，参见图4(b)。程序框衅如图5所示，程序清单见程序1和程序2，其中寄存器 B的存放给定脉冲数N。

程序1：正方向调相程序

MA6： MOV A，B

JZ MA4

MA7：JB P1.6，$

JNB P1.6，$

NOP

SETB P1.3

JB P3.1，$

CLR P1.3

DJNZ B，MA7

MA4：RET

程序2：负方向调相程序

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

通过该系统的设计，体会到在一些复杂数字电路设计中，如果处理速度允许，采用类似AT89C2051的低价位单片机来实现其中的部分硬件电路功能，可降低设计难度、缩短研制时间、提高设计效率。随着微机处理速度的不断提高，这种方法会获得更广泛的应用。