基于單片機控制的低頻數字式相位測試儀

1、目 錄第一章 緒論1相位差測量概述1單片機概述2課題研究主要內容4第二章 相位差測量基礎理論5相位差測量原理5系統(tǒng)工作原理5第三章 系統(tǒng)外圍電路的設計7硬件方案設計與器件選擇73.1.1 整形電路73.1.2 高頻脈沖產生電路83.1.3 異或門鑒相電路113.1.4 復合門14相位超前或滯后判斷模塊173.1.6 顯示電路19雙電源供電電路設計25測試用移相電路的設計26外圍電路方案總結26第四章 系統(tǒng)軟件28軟件設計理論依據28系統(tǒng)軟件28主程序流程圖及其思想284.2.2 T1中斷服務子程序30運算子程序流程圖及其思想31十六進制數轉換為BCD碼子程序33顯示子程序33定時/計數器工作部

2、分及相關問題34定時/計數器工作部分34相關問題34第五章 軟硬件調試及系統(tǒng)抗干擾與可靠性設計36系統(tǒng)軟硬件調試36軟件調試36硬件調試36系統(tǒng)抗干擾、低功耗及可靠性設計37波形整形系統(tǒng)中的抗干擾設計37低功耗可靠性的設計38第六章 系統(tǒng)實驗40系統(tǒng)仿真實驗40仿真平臺40系統(tǒng)仿真數據記錄40系統(tǒng)實際工作實驗40實驗使用儀器40系統(tǒng)實際工作數據記錄41理論誤差分析41第七章 結論與課題研究展望42結論42課題研究展望42致 謝 辭43參考文獻43附錄1：源程序清單44附錄2：系統(tǒng)原理圖51附錄3：實物照片53基于單片機控制的低頻數字式相位測試儀摘 要在實際工作中，經常需要研究諸如放大器、濾波器

3、等各種器件的頻率特性，即輸出輸入信號間幅度比隨頻率的變化關系（即幅頻特性）和輸出輸入信號間相位差隨頻率的變化關系（即相頻特性）。尤其在圖像信號傳輸與處理、多元信號的相干接受等學科領域，研究網絡（或系統(tǒng)）的相頻特性顯得更為重要。相位差測量是研究網絡相頻特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的測量快速、精確已成為生產科研中重要的研究課題。測量相位差的方法有很多，主要有：用示波器測量；把相位差轉換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差；把相位差轉換為電壓，先測量出電壓再換算為相位差；與標準移相器的比較等。本設計提出了一種基于A T89C52 單片機開發(fā)的低頻數字相位測量儀的設計。系統(tǒng)以單片機A

4、T89C52為核心，構成完備的測量系統(tǒng)?？梢詫?0 Hz20 kHz 頻率范圍的信號進行頻率、相位等參數的精確測量；測相絕對誤差不大2°；采用數碼管顯示被測信號相位差。硬件結構簡單。軟件采用匯編語言實現，程序簡單可讀寫性強、效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比，其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高的優(yōu)點。關鍵詞：相位測量；單片機；低頻；集成電路Designs of Low frequency Digital Phase Measurement Based on the Single Chip AbstractIn the practical work, the frequency charac

5、teristic needs to study frequently, such as the amplifier, the filter, each kind of component and so on, namely the relations of the scope compares along with the frequency change between the output input signal (namely amplitude-frequency characteristic) and between the output input signal phase di

6、fference along with the frequency change (namely phase-frequency characteristic). Especially in picture signal transmission and processing、the many signals coherent accepts and so on, its important to search the phase-frequency characteristic of the network (or the system). The survey is very import

7、ant aspect in studies the network phase-frequency characteristic, how causes the survey fast and precise, has become a important research topic in the production scientific research. The survey method is very much, including: Surveys with the oscillograph; take the phase transforms into the time-gap

8、, first surveys the time-gap, late to convert again for phase; phase transforms into the voltage, first surveys the voltage, late in convert again for phase; to comparison it With the standard phase inverter and so on. A new kind of low - frequency digital phase measurement instrument is president w

9、hich is based on AT89C52, This is a complete system who is based on single chip AT89C52.It may measure the frequency and phase of the signal which begin from 10 Hz to 20 kHz, absolute error is not more than 2°.The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and softwar

10、e is realized by compiling language. Compared with traditional circuit, it has many advantages, such as faster processing speed, good stability and high ratio between property and price.Keywords: phase test; single chip; low frequency; IC第一章 緒論振幅、頻率和相位是描述正弦信號（交流電）的三個“要素”。以電壓為例，其函數關系為式中：為電壓的振幅；為角頻率；為

11、初相位。設，稱瞬時相位，它隨時間改變，即是時刻的瞬時相位差。兩個角頻率為、的正弦信號分別為它們的瞬時相位差顯然，兩個角頻率不相等的正弦信號之間的瞬時相位差是時間的函數，它隨時間改變而改變。當兩正弦信號的角頻率時，則有由此可見，兩個頻率相同的正弦信號間的相位差是常數，并等于兩正弦信號的初相之差。在實際工作中，經常需要研究諸如放大器、濾波器、各種器件等的頻率特性，即輸出輸入信號間幅度比隨頻率的變化關系（即幅頻特性）和輸出輸入信號間相位差隨頻率的變化（即相頻特性）。尤其在圖像信號傳輸與處理、多元信號的相干接受等學科領域，研究網絡（或系統(tǒng)）的相頻特性顯得更為重要。相位差測量是研究網絡相頻特性中必不可少

12、的重要方面，如何使相位差的測量快速、精確已成為生產科研中重要的研究課題。測量相位差的方法有很多，主要有：用示波器測量；把相位差轉換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差；把相位差轉換為電壓，先測量出電壓在換算為相位差；與標準移相器的比較（零示法）等。1.2單片機概述單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，是指在一片芯片體上集成了中央處理器CPU、隨機存儲器ROM/RAM、定時器/計數器、中斷控制器、串行和并行I/O接口等部件，構成一個完整的微型計算機。目前，新型單片機內還有A/D和D/A轉換器、高速輸入和輸出部件、DMA通道、浮點運算等特殊功能部件。

13、由于它的結構和指令都是按工業(yè)控制要求設計的，特別適用于工業(yè)控制、數據處理及信號測量等場合。因此，確切的稱謂應該是微控制器（Microcontroller），單片機只是習慣稱呼。一、單片機發(fā)展簡史自1971年美國Intel公司制造出第一塊4位微處理器以來，其發(fā)展十分迅速，到目前為止，大致可分為以下五個階段。14位單片機（19711974）1971年11月，Intel公司設計了集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，構成第一臺MCS51-4微處理器。這種微處理器雖僅用于簡單控制，但價格便宜，至今仍不斷有多種功能的4位機問世。2低檔8位單片機

14、（19741978）這類單片機不帶串行接口，尋址范圍一般在4KB范圍內，其功能可滿足一般工業(yè)控制和智能儀表等的需要，如Intel公司的8048、Mostek公司的3870等等。3高檔8位單片機（19781982）這類單片機帶有串行接口，尋址范圍可達64KB，有多個中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數器。其功能較強，是目前應用的主要產品，如Intel公司的8051、Motorola公司的Z8和NEC公司的MPD7800等產品。416位單片機（19821990）Mostek公司于1982年首先推出了16位單片機68200，隨后Intel公司于1983年推出16位單片機8096，其他公司也相繼推出了同檔

15、次的產品。由于16位單片機采用了最新的制造工藝，其計算速度和控制功能有了大幅度提高，具有很強的實時處理能力。5新一代單片機（1990年代以來）這類單片機在結構上采用雙CPU或內部流水線，CPU位數有8位、16位、32位，時鐘頻率達到了20MHz，片內帶有PWM輸出、監(jiān)視定時器WDT、可編程計數器陣列PCA、DMA傳輸、調制解調器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的發(fā)展，使得單片機在大量數據的實時處理、高級通信系統(tǒng)、數字信號處理、復雜工業(yè)過程控制、高級機器人以及局域網等方面得到大量應用。這類單片機有NEC公司的MPD7800、Mitsubishi公司的M37700，Reckwall公司R6500/

16、21、R65C29，Intel公司的8044、UPI-452等。二、單片機的應用因單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能及運算速度快等特點，所以在國民經濟建設、軍事及家用電器等領域均得到廣泛的應用。按照單片機的特點，單片機可分為單機應用和多機應用。1單機應用在一個系統(tǒng)中，只用一個單片機，這是目前應用最多的方式，主要應用領域有：（1）測控系統(tǒng)。用單片機可構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)等。例如，室溫人工氣候控制、水閘自動控制、電鍍生產線自動控制、氣輪機電液調節(jié)系統(tǒng)、車輛檢測系統(tǒng)、機器人軸處理器等。（2）智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表，能促進儀表向數字化、智

17、能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度等的測量、顯示及儀表控制。通過采用單片機軟件編程技術，使測量儀表中長期存在的誤差修正、線形化處理等難題迎刃而解。（3）機電一體化產品。單片機與傳統(tǒng)的機械產品結合，使傳統(tǒng)機械產品結構簡化，控制智能化。這類產品如：簡易數控機床，電腦繡花機，醫(yī)療器械等。（4）智能接口。在計算機控制系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)中，普遍采用單片機進行接口的控制與管理，因單片機與主機是并行工作，故極大提高了系統(tǒng)的運行速度。例如：在大型數據采集系統(tǒng)中，用單片機對ADC接口進行控制不僅可提高采集速度，而且還能對數據進行預處理，如數字濾波、線形化處理、誤差修正等。

18、（5）智能民用產品。在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子稱、收銀機、辦公設備、廚房設備等產品中引入單片機，不僅使產品的功能大大增強，而且獲得了良好的使用效果。2多機應用單片機的多機應用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機處理及局域網絡系統(tǒng)。（1）功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設置的多機系統(tǒng)。例如：一個加工中心的計算機系統(tǒng)除了完成機床加工運行控制外，還要控制對刀系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅動等機構。（2）并行多控制系統(tǒng)。并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應用系統(tǒng)的快速問題，以便構成大型實時工程應用系統(tǒng)。典型的有快速數據采集、處理系統(tǒng)、實時圖象處理系統(tǒng)等。

19、（3）局部網絡系統(tǒng)。單片機網絡系統(tǒng)的出現，使單片機應用進入一個新的水平。目前該網絡系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，單片機主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以及構成各種測控子級系統(tǒng)。典型的分布式測控系統(tǒng)有兩種類型：樹狀網絡系統(tǒng)與位總線系統(tǒng)。課題研究主要內容設計制作基于單片機控制的低頻數字式相位測量儀，能夠實現相位測量。基本要求a頻率范圍：20Hz20kHz。b相位測量儀的輸入阻抗100k 。c允許兩路輸入正弦信號峰-峰值可分別在1V5V范圍內變化。d相位測量絕對誤差2°。e具有頻率測量及數字顯示功能。f相位差數字顯示：相位讀數為0o359.9o，分辨率°。第二章 相位差測量基礎理論相位差測

20、量原理圖2-1 相位測量原理圖兩個同頻率正弦信號的相位差可以用二者過零點的時間來表示，現要測同頻（周期為T）正弦信號e1(t)和e2(t)的相位差，假設e1(t)過零點的時間為t1，e2(t)過零點的時間為t2 。則= t2- t1,即為相位差寬度，則相位差為：2.2系統(tǒng)工作原理 原理分析：80C52單片機具有兩個16 位的定時器/計數器T1 和T0，單片機的外部中斷功能可方便地實現閘門開關與被測信號的跳變沿同步；利用單片機的數據運算能力可編制相應的乘除法程序，并實現測量結果的高精度顯示。顯 示 器e1(t)整形電路T08051T1 INT1高頻時鐘脈沖異或門復合門相位超前滯后判斷電路e2(t

21、)整形電路圖2-2 原理框圖圖2是基于8051單片機的相位測量的原理框圖，其基本原理是將相位差轉化為時間，然后用單片機來測量時間間隔。如圖所示，e1(t), e2(t)為兩同頻率的正弦信號，經整形電路后形成方波，方波的上升沿和下降沿分別與振蕩信號（正弦信號）的正負過零點對應。整形電路的輸出，一路送異或門，一路送相位超前滯后判斷電路。兩路方波信號送入異或門后，輸出的矩形脈沖的寬度與相位成比例關系。在復合門上用高頻時鐘脈沖對相位進行刻度，即用異或門的輸出脈沖來控制周期固定的高頻時鐘脈沖從復合門的通過。復合門的輸出送入，由內部定時/計數器T1計數時間內，通過復合門的時標個數N。定時/計數器T1的啟動

22、和停止取決于INT1引腳的信號，當INT1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，開始計數；當INT1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，停止計數器，而INT1引腳的信號來自異或門的輸出，即用異或門的輸出信號控制定時/計數器T1的啟動和停止。在閘門控制時間內的計數值N正比于，這樣相位的測量就轉化為數字化的時間測量；同時經整形后信號中的任意一路送入單片機的內部定時/計數器T0，使用T0測出輸入信號的頻率；另一路送入相位超前滯后判斷電路，用來區(qū)分兩路同頻信號相位的超前與滯后關系。第三章 系統(tǒng)外圍電路的設計3.1硬件方案設計與器件選擇3.1.1 整形電路一、整形電路用LM339構成的電壓比較電路組成。LM339集成塊內部裝有四個獨

23、立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝。LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范

24、圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。4路精密電壓比

25、較器LM339N內部原理圖如圖3-1所示。圖3-1 LM339N內部原理圖通過以上對LM339的了解，對于不同幅值（1V5V）的待測信號，將待測信號接入后級，LM339比較器組成電壓比較器，用于檢測信號過0點，將正弦波整形為方波，可以很好地達到設計需求。使用此方法設計的整形電路簡單，易于實現，且較符合設計任務的要求。電路圖原理圖如圖3-2所示。圖3-2 波形整形電路二、采用施密特觸發(fā)電路（又稱遲滯比較電路），完成對輸入正弦信號的整形。因施密特觸發(fā)器能濾除干擾噪聲而獲得很廣泛的運用。在一些應用場合中，特別在某些模/數轉換電路中，遲滯比較器作為抗干擾的比較器應用較多。為了獲得更好的轉換效果，需要較

26、好地選擇遲滯比較器正端輸入的基準電壓。而信號的未知為確定基準電壓帶來麻煩。整形電路前端有AD620組成，AD620是一個高性能的放大器，資料顯示，它只須外接一個電阻，即可實現增益在11 000內的調節(jié)。當增益為1時，不需外接電阻，且阻抗可以達到10M. 用AD620可實現對弱小信號的放大整形。 LM334比較器組成施密特電壓比較器，用于檢測信號過0點，將正弦波整形為方波。AD620一般用于對噪聲和干擾要求比較高的場合，但AD620的購買價格較高。通過分析研究，用LM339構成的電壓比較電路構成整形電路，是一種較為理想的設計。3.1.2 高頻脈沖產生電路一、高頻脈沖信號由穩(wěn)定度高的石英進晶體振蕩

27、器構成。由振蕩頻率為確定的石英進晶體為核心，附以非門，形成正反饋系統(tǒng)，得到頻率固定的高頻脈沖信號。為便于單片機的測量和計算，選擇100KHz的石英晶體，使得高頻脈沖產生電路輸出100KHz的高頻時鐘信號。只要選擇的石英晶體良好，這種方法得到的高頻時鐘脈沖的精度、穩(wěn)定度都很高，并且電路實現簡單。石英進晶體振蕩器構成的高頻時鐘脈沖信號的電路如圖3-3所示。圖3-3 石英進晶體振蕩器構成的高頻時鐘脈沖產生電路高頻脈沖產生電路中使用的非門采用74LS04芯片的介紹：04 為六組反向器，共有54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04 四種線路結構形式，其主要電特性的典型值如下

28、：表3-1 04反向器電特性的典型值型號tPLHtPHLPD5404/740412ns8ns60mW54H04/74H046nsns140mW54S04/74S043ns3ns113mW54LS04/74LS049ns10ns12mW引出端符號1A6A 輸入端1Y6Y 輸出端邏輯圖圖3-4 74LS04邏輯圖極限值電源電壓.7V輸入電壓54/7404、54/74H04、54/74LS047V工作環(huán)境溫度54XXX . -5512574XXX . 070存儲溫度.-65150功能表 表3-2 推薦工作條件表3-3 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）表3-4 動態(tài)特性(TA=25)二、高頻脈沖信

29、號使用基于NE555定時器構成的555振蕩電路構成。以產生需要的高頻時鐘脈沖信號。通過計算，選擇對應的電阻和電容參數值，可以得到近似的目標頻率（100KHz），但誤差較大。方案二設計的高頻脈沖產生電路如圖3-5所示。圖3-5 555定時器構成的高頻脈沖產生電路使用基于高穩(wěn)定度石英晶體為核心，構成高頻脈沖信號產生源，設計簡單合理，故采用前者。3.1.3 異或門鑒相電路異或門由一片74LS74構成，起鑒相作用。這樣將兩路方波信號輸入后，即可將兩信號高低電平相異的部分以高電平輸出，而這個輸出信號的寬度脈沖與待測的相位差成比例關系。電路原理圖如圖3-6所示。圖3-6 鑒相電路四2 輸入異或門簡要說明8

30、6 為四組2 輸入端異或門，共有54/7486、54/74S86、54/74LS86 三種線路結構型式，其主要電特性的典型值如下：表3-5 86異或門電特性的典型值型號tPLHtPHLPDCT5486/CT748615ns11ns150mWCT54S86/CT74S867nsns250mWCT54LS86/CT74LS8612ns10ns31mW引出端符號：1A 4A 1B 4B 輸入端1Y 4Y 輸出端管腳圖：圖3-7 74LS86管腳圖表3-6 74LS86真值表：INputOUTputABYLHLHLHHLLLHH極限值：電源電壓-7V輸入電壓54/7486、54/74LS86-7V工作

31、環(huán)境溫度54×××- 5512574×××-070貯存溫度- 65150表3-7 推薦工作條件：表3-8 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）表3-9 動態(tài)特性（TA25）注：tPLH輸出由低到高電平傳輸延遲時間tPHL輸出由高到低電平傳輸延遲時間3.1.4 復合門復合門由與門構成，在異或門的輸出脈沖寬度時間內，將高頻時鐘脈沖送出。圖3-8 復合門1為時標脈沖信號，其頻率為2為相位差對應的時間寬度的矩形波，其時間寬度為3為對應于上述時間寬度內的時標個數（脈沖）三者間的關系為：對所使用的74ls08器件的介紹：四2輸入與門簡要說明08

32、為四組2 輸入端與門（正邏輯），共有54/7408、54/74S08、54/74LS08 三種線路結構型式，其主要電特性的典型值如下：表3-10 08與門電特性的典型值型號tPLHtphlPD54/740812ns78mW54/74S085ns125mW54/74LS088ns10ns17mW引出端符號1A4A 輸入端1B4B 輸入端1Y4Y 輸出端邏輯圖圖3-9 74LS08邏輯圖極限值電源電壓. 7V輸入電壓54/7408、AB 間電壓54/74LS08 . 7V54/7408、輸出截止態(tài)電壓. 7V工作環(huán)境溫度54XXX . -5512574XXX 070存儲溫度. -65150表3-1

33、1 74LS08功能表:INputOUTputABYHLHLLHHLLLHL表3-12 推薦工作條件:表3-13 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）表3-14 動態(tài)特性(TA=25)3.1.5相位超前或滯后判斷模塊 圖3-10 相位超前滯后判斷電路 圖3-11 74LS74邏輯圖相位超前或滯后判斷模塊由D觸發(fā)器構成，將A信號經整形后送入D腳，B信號經整形后送入CLK腳，若Q輸出為高電平，則說明A信號的相位超前B信號；反之A信號的相位滯后B信號。并將Q的值送至發(fā)光二極管，若發(fā)光二極管點亮，則說明A信號相位超前B信號，反之，則說明A信號的相位滯后B信號。電路原理圖如圖3-10所示。相位超前滯后判

34、斷電路中所使用的D觸發(fā)器介紹：雙上升沿D觸發(fā)器（有預置、清除端）簡要說明74 為帶預置和清除端的兩組D 型觸發(fā)器，共有54/7474、54/74H74、54/74S74、54/74LS74 四種線路結構形式，其主要電特性的典型值如下：表3-15 74D觸發(fā)器電特性的典型值型號fmaxPD5474/747425MHz85mW54H74/74H7443MHz54S74/74S74110MHz54LS74/74LS7433MHz引出端符號1CP、2CP 時鐘輸入端1D、2D 數據輸入端1Q、2Q、1 、2 輸出端CLR1、CLR2 直接復位端（低電平有效）PR1、PR2 直接置位端（低電平有效）邏輯

35、圖如圖13工作環(huán)境溫度54XXX . -5512574XXX . 070存儲溫度.-65150表3-16 功能表表3-17 推薦工作條件*表示以CP 上升沿為參考表3-18 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）表3-19 動態(tài)特性(TA=25)fmax最大時鐘頻率，tPLH輸出由低到高傳輸延遲時間，tPHL輸出由高到低傳輸延遲時間；測tPHL（PRQ，CLRQ），CP(H)時tPHL最大值為，CP(L)時tPHL最大值為8ns。3.1.6 顯示電路一、采用LED數碼管顯示電路。數碼管顯示電路在單片機系統(tǒng)中有著廣泛的應用，比如各種儀器儀表。數碼管顯示電路已經成為各種儀器設備所不可缺少的重要組成部

36、分，是儀器設備與人對話的友好人機界面的一種重要形式，它告訴人們機器的運行狀態(tài)、數據處理結果、提示操作人員下一步要進行的操作等。數碼管顯示單元是一個完整的單片機系統(tǒng)的一種主要輸出裝置，比起復雜的液晶顯示，它具有設計簡單、價格便宜的優(yōu)點。數碼管在系統(tǒng)中的主要作用是顯示單片機的輸出數據、狀態(tài)等，因而，作為典型外圍器件，數碼管顯示單元的主要作用是反映系統(tǒng)輸出和操作輸入的有效器件。數碼管具備數字接口，可以很方便的與單片機系統(tǒng)連接；數碼管體積小、重量輕、并且功耗低，是一種理想的顯示單片機數據輸出內容的器件，在單片機系統(tǒng)中有著重要的作用。一、7段數碼管工作原理LED發(fā)光器件一般常用的有兩類，：數碼管和點陣。

37、7段數碼管屬于LED發(fā)光器的一種。7段數碼管由8個發(fā)光二極管LED組成，其中包括7個細長型的LED和1個小數點型的LED，每個LED稱為一個字段，分別為a、b、c、d、e、f、g、dp共8段，其中dp（Decimal Point）為小數點，如圖3-12所示。圖3-12 7段數碼管內部字段LED和引腳分布數碼管常用的有10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個數碼管的公共端，兩根之間相互連通，即為一腳。數碼管有共陽極（其中LED的陽極都連接在一起）和共陰極（其中LED的陰極都連接在一起）兩種形式。7段數碼管可以顯示包括小數點的09數字和部分的英文字母。為了獲得不同的字型，數碼管各段所加的電

38、平也不同，編碼也不一樣。字型、字段和編碼的關系如表所示。表3-20 共陰極7段數碼管字型、字段和編碼關系段碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示位dpgfedcba字型共陽極編碼共陰極編碼字型共陽極編碼共陰極編碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77G2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H二、7段數碼管的驅動單片機驅動LED數碼管有多種方法，按顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，

39、單片機將顯示的數據送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送新的顯示數據。只要當前顯示的數據沒有變化，就無須理睬數碼管顯示器。靜態(tài)顯示的數據穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字型代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字型。要顯示新的數據時，單片機再發(fā)新的字型代碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆畫字段（ag和dp）同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立的接受I/P線控制。CPU向字段輸出端口輸出字型碼時，所有顯示器接受到相同的自型

40、碼，但究竟使用哪個顯示器，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，又單片機決定何時顯示哪一位。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流電亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，給人的印象是一組穩(wěn)定的顯示數據。靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示各有利弊。靜態(tài)顯示穩(wěn)定，但每個顯示單元需要獨立的驅動電路，使用硬件較多；動態(tài)顯示需要分時顯示，需要CPU定時對顯示器進行數據刷新，顯示有閃爍感，但需要的硬件較少。下圖3-13為靜態(tài)顯示的電路原理圖。圖3-13 顯示電路顯示電路中數碼管的驅動芯片74ls164的介紹：8 位移位寄存器

41、（串行輸入，并行輸出）簡要說明164 為8 位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：表3-21 8位移位寄存器164電特性的典型值型號Pnfm54/7416436MHz185mW54/74LS16436MHz當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。引出端符號CLOCK 時鐘輸入端CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）A，B 串行數據輸入端QA

42、QH 輸出端邏輯及封裝圖：圖3-14 74LS164邏輯及封裝圖極限值電源電壓 7V輸入電壓工作環(huán)境溫度54164 -5512574164 -070儲存溫度 -65150表3-15 74164真值表H高電平L低電平X任意電平低到高電平跳變QA0、QB0、QH0 規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平QAn,QGn 時鐘最近的前的電平時序圖圖3-16 74164時序圖表3-23 推薦工作條件:表3-24 動態(tài)特性(TA=25)表3-25 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）fmax最大時鐘頻率；tPLH輸出由低電平到高電平傳輸延遲時間；tPHL輸出由高電平到低電平傳輸延遲時間。3.1.7雙電源供電電路設計為

43、使得整個系統(tǒng)的正常工作，制作正負15伏穩(wěn)壓電源.圖3-17 雙電源電路圖3-17是其電路圖，其工作原理如下。首先，通過變壓器，給電路的A與B兩端輸入18-20伏的交流電壓。接著進入整流橋，通過整流橋整流濾波后得到的直流輸入電壓分別接在7815與7915的輸入端和公共端之間，也就是它們的第2和第3腳。在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓正15伏電壓。為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容C3及C4，一般C3及C4的容量為0.33uF。出端接上電容C1及C2，以改善負載的瞬態(tài)響應，C1及C2的容量一般為0.1uF。兩個電容應接在集成穩(wěn)壓器的引腳處。若輸出電壓比較高，應在輸入端與輸出端之間跨接一個保護二極管D

44、3與D4，如圖，其作用是在輸入端短路時，使C1與C2分別通過二極管D3、D4放電，以便保護集成穩(wěn)壓器內部的調整管。 輸入電流電壓Ui的值應至少比Uo高2V 。另外，在穩(wěn)壓電源輸出端加上了一個反光二極管D，其中R是二極管的保護電阻，以確保二極管的工作電流在0.5mA左右。當有輸出電壓時，反光二極管就會亮。在做制作成PCB，既電路版時，要注意7815與7915兩個穩(wěn)壓塊不要和電容等其他元件放得太近，因為這兩個穩(wěn)壓塊的發(fā)熱量很大，會影響到其他元件的主持工作。除此以外，我們還應該很這兩個穩(wěn)壓塊加上一塊合適的散熱片。同樣在正負15V電源的輸入點使用7805和7905進行穩(wěn)壓即可得到正負5V的電壓。3測試

45、用移相電路的設計為了在硬件調試時模擬出同頻率正弦信號間的相位差，在B路正弦信號送入整形電路之前，先使用由RC移相網絡構成的移相電路對其進行移相，為不使移相后信號的幅值發(fā)生改變，使用LM353組成射極跟隨器，以保證輸出/輸入信號的幅度不發(fā)生改變。因為所以，RC移相網絡對頻率為的輸入信號移相角度為：具體實現移相電路如下圖3-18所示。圖3-18 測試用移相電路3.2外圍電路方案總結整形電路用LM339構成的電壓比較電路組成。2.高頻時鐘脈沖使用頻率固定的石英晶體與非門組成的反饋震蕩電路產生高頻時鐘脈沖。3. 鑒相電路由一片74LS74異或門構成，起鑒相作用。4. 復合門復合門由74LS08與門構成

46、，將時標信號填滿與相位差對應的時間寬度。由D觸發(fā)器74LS74直接將兩路方波信號送入，判斷其相位關系。使用74 LS164驅動的7段數碼管靜態(tài)顯示電路。自制的可提供正負15V和正負5V的雙電源。8. 測試用移相電路RC移相網絡構成的移相電路對其進行移相。第四章 系統(tǒng)軟件軟件設計理論依據具有相角和相位差的信號e1(t)和e2(t)分別加到整形電路。設高頻時鐘脈沖的頻率為fc,；被測信號的周期為T，頻率為f=1/T,則異或門的輸出脈沖的周期為T/2；被測信號e1(t)超前e2(t)，超前相角為，轉換成時間量為。在復合門后，在時間內通過的脈沖個數為N,有： （1）由得到，代入（1）式有： 即： （2

47、） 得： （3）由（3）式可知，利用單片機的數學運算能力，在知道N、f、fc之后，即可求取被測相位的度數。其中N為單片機計數器所計的值，f為輸入的正弦信號的頻率，fc為插入的高頻時鐘脈沖頻率。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件的主要任務是，計數在時間N，此任務由定時/計數器T1工作在計數器的狀態(tài)下執(zhí)行；定時/計數器T0用于測量兩同頻輸入信號的頻率f；其它是對測量結果計算的程序部分，完成對公式（3）的計算；最后是對最終的相位差值進行十六進制到十進制數的轉換，并送LED顯示。.1主程序流程圖及其思想開始啟動T0初始化T0、T1清0調用1秒延時停止T0TH0、TLO計數值送R2、R335H、36H寄存器清0調用顯示子

48、程序INT1=0？是否啟動T1開T1中斷開總中斷INT1=1？是否停止T1TH1、TL1計數值送R6、R7調用計算公式調用HEX轉換為BCD碼子程序調用LED顯示結束圖4-1 系統(tǒng)軟件流程圖主程序設計思想：程序啟動后，先給單片機的兩個內部定時/計數器T1、T0進行工作方式字TMOD初始化，定時/計數器T1用于測量對輸入信號相位差進行時標的高頻時鐘個數N，工作于方式1狀態(tài)，門控制標志位置1，并由外部中斷口INT1的狀態(tài)控制定時/計數器T1的啟動和停止；定時/計數器T0用于測量兩同頻輸入信號的頻率f，也工作于方式1狀態(tài)。這樣給方式字TMOD初始化賦值為0D5H。之后，將定時/計數器T1、T0的計數

49、寄存器清零，并啟動T0工作，調用1秒延時子程序，1秒延時到，輸入信號的頻率被測出，此時停止T0的工作，并將測得的頻率值送入單片機內部寄存器中，以供后續(xù)計算。完成上述工作后，檢測外部中斷輸入口INT1的狀態(tài)，如果INT1由低電平變?yōu)楦唠娖?，則啟動定時/計數器T1，開始計數，否則，繼續(xù)檢測INT1口的狀態(tài)。T1啟動后，當檢測到INT1口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，停止T1的計數工作，并將T1計數寄存器中的值送入單片機內部寄存器。測量工作完成后，利用單片機的數學計算能力，調用對應的計算子程序，對所測得的數進行計算，分別調用的是一個雙字節(jié)無符號數乘法子程序和一個雙字節(jié)無符號數除法子程序。運算結束后，將得到的

50、關于兩同頻輸入信號相位差的十六進制數轉換為BCD碼，再調用顯示子程序，將相位差值送出到LED數碼管進行顯示。至此，整個程序結束，完成了對同頻信號相位差的測量工作。停止T1工作 T1中斷服務子程序將180度直接送顯示電路顯示調用顯示子程序圖4-2中斷服務子程序在測量過程中，如果遇到兩輸入信號的相位剛剛相反時，即相位差為180度，從異或門輸出的信號將始終為高電平，這將導致定時/計數器T1發(fā)生計數中斷溢出，為此，需在程序中加入中斷服務子程序。在中斷服務子程序中，先停止定時/計數器T1的工作，再將180直接顯示在顯示器上，即可。.3運算子程序流程圖及其思想一、f×N子程序（雙字節(jié)無符號數乘法

51、子程序）計算R3×R7暫存R3×R7的積于R4、R5中計算R3×R6R3×R7的積的高位與R3×R6積的低位相加計算R2×R7R2×R7的積的低位與R4相加計算R2×R6R2×R6的積的低位與R3相加R2×R6的積的高位與送R2圖4-3 雙字節(jié)無符號數乘法子程序二、f×N的積除以91的子程序（雙字節(jié)無符號數除法子程序）除數送R6、R7中比較被除數和除數R3-R7R2-R6是否發(fā)生借位置溢出標志位否 是計算雙字節(jié)商部分商和余數同時左移一位保存溢出位計算R2、R3-R6、R7C與/F0相與

52、是否發(fā)生借位存放新的余數否 是是否計算完？否計算完16位的商 是將商移到R2、R3中圖4-4 雙字節(jié)無符號數除法子程序計算子程序設計思想：公式（3）表示了本系統(tǒng)設計中的運算思想，為了便于使用匯編語言對表達出公式的運算過程，現將公式（3）拆分為兩個部分，即先計算f×N，再用f×KHz除以360°的商。這樣整個運算部分的軟件將得到簡化。在f×N子程序中，乘數f放在R2、R3中，被乘數N放在R6、R7中，積放在R2、R3、R4、R5中。在f×N的積除以91的子程序中，被除數放在R2、R3、R4、R5中，除數91(32768Hz除360的商)放在R6、R7中（91的十六進制數為5B），商放在R2、R3中。設置工作寄存器.4十六進制數轉換為BCD碼子程序將待轉換的十六進制數送R2、R3中轉換R3中低位數轉換R2中高位數轉換是否完畢否轉換好的數送入暫存器63H、64H、65H、66H中是圖4-5 十六進制數轉換為BCD碼子程序前面以論述過，根據實際要求，本系統(tǒng)的顯示