基于斯密特触发器的简易数字相位计设计

吴爱丹

(浙江外国语学院理工学院,浙江杭州310023)

1 引 言

相位测量是科研和生产过程中测量的基础环节,如电能质量检测、相频特性研究等领域中常会遇到需要测量两个信号相位差的问题.随着相位测量技术的广泛应用,对相位测量的精度要求也越来越高.对于信号的提取、检测、处理,传统的测量方法虽有很多,如转换为电压法、示波器测量法、和差法、阻抗法等,但都存在着测量方法繁琐,精度不高等问题.随着电子技术的不断发展,数字式仪表因其高精度的测量分辨率、直观化的特点而得到越来越广泛的应用.因此,本文设计了一款简易数字相位计,依靠斯密特触发器精确波形变换特性,结合STC5410单片机高速、抗干扰能力强等功能,很好地实现了两个信号相位差的测量.

2 数字相位计的设计

基于斯密特触发器的简易数字相位计由前级波形变换模块、中级信号转换模块与末级信号处理模块组成,其系统框图如图1所示.将信号1和信号2的相位差经过波形变换成方波,再将两路方波信号转换成一路脉宽信号,利用信号处理模块计算得出相位差.

图1 简易数字相位计系统框图

2.1 前级波形变换模块

前级波形变换主要是要将脉冲信号转换为方波信号,实现方法有以下两种:

方案一 模拟整形,使用比较器对波形进行过零比较,整形成相应的方波,好处在于速度比较快,易于实现,缺点是稳定性差,易受干扰.同时在比较器选用时还应考虑使用运放还是集成比较器实现,运放具有较高的灵敏度,但带宽不高,难以符合条件,集成比较器灵敏度低,难于满足需求.

方案二 数字整形,利用施密特触发器状态转换过程中的正负反馈,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为很陡的矩形脉冲信号[1].输入信号是正弦信号,输出端可以得到同频率的方波信号,带宽高,精确度高且稳定.

基于以上方案的比较,本设计选择方案二.采用CD40106芯片实现脉冲信号到方波信号的转换,CD40106内部包含6个独立的斯密特触发器,本设计中用到其中两个斯密特触发器完成对两路输入信号的波形转换与校正.前级波形变换模块如图2所示.斯密特触发器又称斯密特与非门,是具有滞后特性的数字传输门.它有两大特点:(1)电路具有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压;(2)与双稳态触发器和单稳态触发器不同,施密特触发器属于“电平触发”型电路,不依赖于边沿陡峭的脉冲.斯密特触发器具有电压滞后特性,常用它对脉冲波形整形,使波形的上升沿或下降沿变得陡直;还可以用它作电压幅度鉴别[2].因此,斯密特触发器能很好地实现了波形的精确转换,同时保证了触发转换后信号具有良好的幅值特性,为下一步测量打下基础.相对于使用比较器实现波形变换的模拟电路而言,运用施密特触发器的数字电路,不但精度高,干扰小,无需信号校正,而且对信号频率的限制极小,大大提高了可变换信号的频率上限,进一步提高了信号的测量范围.

图2 前级波形变换原理图

2.2 中级信号转换模块

中级信号转换模块采用74LS74双稳态触发器,将两路方波信号转换成一路脉宽信号,而脉宽的宽度为信号的相差[3].由于末级采用了5410小型单片机,没有DSP的强大存储运算功能,对于输入的两路方波信号,不能直接精确测量出两信号间的相位差,故需将两路信号转换成一路脉宽信号后进行测量.74LS74双稳态触发器是双上升沿D触发器,原理图如图3所示,具体接法如下:由74LS74的CLK1和的CLK2分别输入两路时钟信号,D1、D2触发信号接高电端(低电平有效),4脚和10脚的位信号(低电平有效),将1脚的RD端与8脚的相连;5脚Q1端与钟信号CLK1端有个上升沿到来时,Q1端输出高电平,同时反馈到13脚的RD端,为高电平,RD端没有动作.当时钟信号CLK2的上升沿到来时变成低电平,反馈到Q1端的信号变成低电平,只需测出5脚脉冲宽度就能测出信号的相位差,从而提高了测量精度.

2.3 末级信号处理模块

末级信号处理模块实现相位差值的计算输出与显示.

图3 中级信号转换模块原理图

方案一 单片机处理,因其编程开发简单,技术成熟,开发环境完备,占用资源少,价格低廉,程序执行效率高,具有高速数学运算能力,友好的人机接口界面,良好的应用性与拓展性,所以在信号处理领域得到了广泛应用.

方案二 DSP处理,与单片机相比,DSP数字信号处理器件具有较高的集成度,能够快速完成数学运算,但它的开发较复杂,成本高,适用于复杂数字信号的处理.

方案三 FPGA处理,使用VHDL编程,开发起来较简单,但它的功耗大,人机接口界面较难实现,同时诸如乘除法运算比较麻烦.

基于以上三种方案的比较,单片机开发相对最容易,运行速度快,人机接口界面,易于实现,因此选择单片机来实现后级的信号处理任务.

采用STC5410单片机系统进行检测和相位差值的输出与显示.STC系列单片机相对于51系列单片机具有速率高,功耗低,扩张性能好等特点.测量方法有两种,方法一测量原理为,单片机输入一个方波信号,测出它的占空比,算出信号平均值.占空比的测量,只需测出一个周期内方波的高电平时间和信号周期时间即可.一个周期为360°,高电平时间所占整个周期时间的比例为两者间角度之比.利用单片机的PCA模块1的外部中断进行测量.首先在PCA模块1初始化时将它设置为上升沿触发模式,然后在PCA模块中断每次来时都对它的触发模式进行相反设置,并设置一个标志位来记录每次所设置的触发模式,在PCA中断程序中判断,当中断是由上升沿触发时打开PCA模块0定时器开始计时,当中断是由下降沿触发时关闭PCA模块0定时器并取出该定时器里的值,而这个值就是相位差.部分代码如下:

PCA_ IN IT: ;PCA模块初始化

MOV CMOD,#10000000B;PCAz在空闲模式下停止PCA计数器工作,PCA时钟源为FOSC/2

MOV CCON,#00H;清零PCA计数器溢出中断请求标志位,不允许PCA计数器计数,清零PCA各模块中断请求标志位

MOV CL,#00H;清零PCA计数器

MOV CH,#00H

MOV CCAPM1,#00100001B;PCA模块1设置为上升沿触发捕捉功能

MOV CCAPM0,#49H;PCA模块0设置为定时器模式

MOV CCAP0L,#0FFH;PCA模块0捕捉/比较寄存器设置为最大值

MOV CCAP0H,#0FFH

SETB EPCA_LVD;开PCA中断和LVD(低压检测)中断共享的总中断控制位

SETB EA;开启单片机总中断允许

RET

;＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

PCA_ INTP:;PCA中断程序,脉冲正频宽测量

CPL PW_FLAG;将PW标志位取反,为1表示中断由上升沿触发,为0表示中断由下降沿触发

PUSH ACC;压栈处理

PUSH PSW

JNB PW_FLAG,PCA_ INTP1;判断标志位PW_FLAG,若为0,表示中断是由下降沿触发模式所触发,跳转到PCA_ INTP1

……

RETI

;＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

方法二则需先求出信号频率,再用GATE门控位来测量.频率测量时开两个定时器,一个用于定时,一个用于计数,定时器在单位时间内取计数器的值.采用GATE门控位测量,提供对定时器启动采用不同方式的控制位.当GATE=1时,定时器的运行将同时受到TR位和T引脚电平的控制[4]74.定时器T0和T1为高电平,且控制寄存器TCON中的TR0和TR1置1,两个条件同时满足,才能启动定时了提高测量频率,本STC5410单片机采用24M外接晶振,基准时钟宽度为0.5μs.经过测量的两同频率信号,频率为f(Hz),周期为T,两路信号过零点的时间差为Tx.用周期法测得一个周期内方波个数N,即可算出相位差Φx,如下式所示.

比较以上两种测量方法,方法一的测量频率范围小,但对低频信号有很高的测量精度,且程序较为简单;方法二的测量频率范围大,但程序较为复杂.根据相位计的实际应用领域,选择一种合适的测量程序.

3 测量结果

基于斯密特触发器的简易数字相位计系统的实际测试结果如表1所示.

由表可知,测量频率在5～1KHz时误差小于±0.2°,1K～5KHz时误差小于±0.5°,5K～20KHz时误差小于±1°,基本适用于一般信号的相位差测量.

4 测量误差分析

本设计的相位差测量过程中误差主要由单片机计数器计数个数、标准频率误差、信号传输与转换过程中产生误差等.若在系统前级加入分频电路,采用更高频率单片机晶振,可以进一步提高信号测量精度和范围.

表1 基于斯密特触发器的简易数字相位计系统测试数据

[1] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社,2006:400.

[2] 胡庆,林光旭.数字电路基础[M].成都:电子科技大学出版社,2009:211-214.

[3] 王文习.脉冲与数字电路[M].北京:中国铁道出版社,1999:181-182.

[4] 蔡菲娜.单片微型计算机原理和应用[M].杭州:浙江大学出版社.2009:73-80.