數(shù)字移相技術(shù)的分析和實現(xiàn)

1、        摘要：兩個同頻信號，特別是工頻信號之間的移相，在電力行業(yè)的繼電保護(hù)領(lǐng)域中是一個模擬、分析事故的重要手段，是校驗各種有關(guān)相位的儀器儀表、繼電保護(hù)裝置的信號源。因此，移相技術(shù)有著廣泛的實用價值。本文介紹兩種基于單片機的數(shù)字移相方法，借以說明實現(xiàn)移相的原理。并對兩種移相方法進(jìn)行性能分析和比較。關(guān)鍵詞：移相，單片機，DA轉(zhuǎn)換，計數(shù)器。 一兩個同頻信號之間的移相與實現(xiàn)方式  所謂移相是指兩路同頻的信號，以其中的一路為參考，另一路相對于該參考作超前或滯后的移動，即稱為是相位的移動。兩路信號的相位不同，

2、便存在相位差，簡稱相差。若我們將一個信號周期看作是3600，則相差的范圍就在003600之間。例如在圖1中，以A信號為參考，B信號相對于A信號作滯后移相0，則稱A超前B0，或稱B滯后A0。圖1 移相示意   要實現(xiàn)B信號對A信號的移相，通常有兩個途徑：一是直接對模擬信號進(jìn)行移相，如阻容移相，變壓器移相等，早期的移相通常采用這種方式。采用這種方式制造的移相器有許多不足之處，如：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負(fù)載和時間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等在此不予討論另一個是隨電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的數(shù)字移相技術(shù)，是目前移相技術(shù)的潮流。數(shù)字移相技術(shù)的

3、核心是：先將模擬信號或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號。  數(shù)字移相主要有兩種形式：一種是先將正弦波信號數(shù)字化，并形成一張數(shù)據(jù)表存入ROM芯片中，此后可通過兩片DA轉(zhuǎn)換芯片在單片機的控制下連續(xù)地循環(huán)輸出該數(shù)據(jù)表，就可獲得兩路正弦波信號，當(dāng)兩片DA轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列完全相同時，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號無相位差，稱為同相。當(dāng)兩片DA轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號就存在著相位差。相位差的值與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。這種處理方式的實質(zhì)是將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為信號間的相位值。另一種是先將參考信號整形為方波信號，并以此信號為基準(zhǔn)

4、，延時產(chǎn)生另一個同頻的方波信號，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號。以延時的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實質(zhì)是將延時的時間映射為信號間的相位值。二利用DA轉(zhuǎn)換實現(xiàn)移相  圖2給出了一個設(shè)計實例。單片機為8031，DA轉(zhuǎn)換芯片采用兩片8位字長的DAC0832，由于DAC0832的輸出信號為電流型，故需加運算放大器將電流型信號轉(zhuǎn)換成電壓型信號。該設(shè)計中運算放大器采用雙極型雙運放4558。轉(zhuǎn)換所用的數(shù)據(jù)為256個8位字長的數(shù)據(jù)，隨程序一起存入ROM存儲器中，即一個信號周期有256個轉(zhuǎn)換值。圖2 D/A轉(zhuǎn)換移相框圖   進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換的程序段及正弦波的數(shù)值表如

5、下：  程序清單：    MOV R5，#00H;第一路正弦波起點地址的偏移量送R5    MOV R1，#08H;第二路正弦波起點地址的偏移量送R1  LOOP：MOV A, R5    MOV DPTR，#TAB；取數(shù)據(jù)表首地址    MOVC A，DPTR；取第一路數(shù)據(jù)    MOV DPTR，#0DFFFH;選通第一路DAC0832    MOVX DPTR，A；數(shù)據(jù)送第一路DAC0832

6、    INC R5； 修改第一路地址的偏移量    MOV A，R1；    MOV DPTR，#TAB：    MOVC A，DPTR；取第二路數(shù)據(jù)    MOV DPTR，#0BFFFH：選通第二路DAC0832    MOVX DPTR，A；數(shù)據(jù)送第二路DAc0832    INC R1： 修改第二路地址的偏移量    MOV DPTR，#7FFFH

7、；選通兩片DAC0832的轉(zhuǎn)換端    MOVX DPIR，A;同時轉(zhuǎn)換兩路數(shù)據(jù)    AJMP LOOP  TAB：DB 80，83，86，89，90，93，96    DB 99，9C，9F，A2，A5，A8，AB，AE    DB B1，B4，B7，BA，BC，BF，C2，C5    DB C7，CA，CC，CP，D1，D4，D6，D8    DB DA，DD，DF，E1，E3，E5，E7，E9

8、60;   DB EA，EC，EE，EF，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5    DB F6，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)9，F(xiàn)A，F(xiàn)B，F(xiàn)C，F(xiàn)D    DB FD，F(xiàn)E，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F    DB FF，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)F，F(xiàn)E，F(xiàn)D    DB FD，F(xiàn)C，F(xiàn)B，F(xiàn)A，F(xiàn)9，F(xiàn)8，F(xiàn)7，F(xiàn)6    DB F5，F(xiàn)4，F(xiàn)2，F(xiàn)1，EF，EE，EC，EA    DB E9，E7，E5，E3

9、，E1，DF，DD，DA    DB D8，D6f D4，D1，CF，CC，CA，C7    DB C5，C2，BF，BC，BA，B7，B4，B1    DB AE，AB，A8，A5，A2，9F，9C，99    DB 96，93，90，8D，89，86，83，8O    DB 80，7C，79，76，72，6F，6C，69    DB 66，63，60，5D，5A，57，55，51   

10、; DB 4E，4C，48，45，43，40，3D，3A    DB 38，35，33，30，2E，2B，29，27    DB 25，22，20，1E，1C，1A，18，16    DB 15，13，11，10，0E，0D，0B，0A    DB 09，08，07，06，05，04，03，02    DB 02，01，00，00，00，00，00，00    DB 00，00，00，00，00，00，01，02&#

11、160;   DB 02，03，04，05，06，07，08，09    DB 0A，0B，0D，0E，10，11，13，15    DB 16，18，1A，1C，1E，20，22，25    DB 27，29，2B，2E，30，33，35，38    DB 3A，3D，40，43，45，48，4C，4E    DB 51，55，57，5A，5D，60，63，66    DB 69，6C，6F，7

12、2，76，79，7C，80  此例中，數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)共有256個，每兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的相位差為3600÷256=1.40。我們只需改變R1中的值就可改變兩路正弦波的相位差。程序中R18，故第一路正弦波滯后第二路正弦波1.40×811.20。  現(xiàn)將以這種方式實現(xiàn)移相的幾個技術(shù)指標(biāo)作如下分析：  1波形失真度;正弦波的轉(zhuǎn)換精度若不加其它的處理，則取決于DA轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)和數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。8位的DA轉(zhuǎn)換芯片其輸入數(shù)據(jù)的范圍是0-255，也就是說最多可將模擬量分為256級。在雙級型的轉(zhuǎn)換中，正、負(fù)半波被分為128級。  2正弦波的周期;

13、正弦波的周期由對數(shù)據(jù)表作一遍完整的轉(zhuǎn)換所需要的時間決定。顯然，單片機的速度、數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的個數(shù)以及程序的算法等因素都將影響正弦波的周期。上例中設(shè)8031的晶振頻率為6MHz，則程序完成一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換所需要的時間是52us，故正弦波的周期為K×52 us×256K×13312 us。K為轉(zhuǎn)換下一個數(shù)據(jù)前等待的時間系數(shù)，當(dāng)K=l時，為連續(xù)轉(zhuǎn)換，此時正弦波的周期最短。  3移相細(xì)度;移相細(xì)度(最小移動步長)取決于數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的個數(shù)，數(shù)據(jù)越多則移相細(xì)度越細(xì)。上例中數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的個數(shù)為256個，所以移相細(xì)度為3600÷256=1.40。若數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的個

14、數(shù)為360個，則移相細(xì)度為3600÷36010。表面上看，只要增加數(shù)據(jù)的個數(shù)，就可提高移相細(xì)度，但在不增加DA芯片的位數(shù)的情況，單純增加數(shù)據(jù)的個數(shù)，會使正弦波波形的失真度增加，并使正弦波的周期變長。在正弦波周期一定的情況下，數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的個數(shù)是有限制的。三利用單片機進(jìn)行方波信號的移相  利用單片機進(jìn)行方波信號的移相則是數(shù)字移相的另一個途經(jīng)，已有多種成功之作，有些偏重硬件，有些偏重軟件，總體說來，偏重硬件的精度較高，但制造及調(diào)試較復(fù)雜。偏重軟件的結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但往往精度受影響。本文介紹一種己獲得較為理想效果的設(shè)計。設(shè)計的原理框圖如圖3所示。upload/article/

15、2005122581313.gif/IMG圖3 方波移相框圖   工作原理：作為參考信號的A，經(jīng)整形后得到方波信號a，再利用鎖相技術(shù)對a作3600倍頻，并將此倍頻信號作為單片機中CTC的計數(shù)脈沖，以此來產(chǎn)生相移和測量移相的實際值。由于計數(shù)脈沖是通過鎖相環(huán)產(chǎn)生的，在鎖相環(huán)允許的頻率范圍內(nèi)，計數(shù)脈沖始終是a信號的3600倍，因此，可以看成是將a信號的一個信號周期分為了3600份，且允許a的頻率可在一個小的范圍內(nèi)波動。若一個信號周期為3600，那么在一個信號周期內(nèi)每個計數(shù)脈沖即代表0.10。我們只需以a信號為參考，延時若干個計數(shù)脈沖的時間來產(chǎn)生c信號即可做到移相，改變延時計數(shù)脈沖的個數(shù)即可

16、改變移相值，亦可記錄兩個信號的上沿(或下沿)間的脈沖個數(shù)來獲得兩信號的相位差。正是由于鎖相環(huán)的存在，才使得移相信號B與參考信號A的頻率完全相同。比起由軟件測得A信號的周期后再來產(chǎn)生B信號的方式來，其精度要高得多。鎖相環(huán)倍頻的頻率愈高則移相的最小單位愈小，若作7200倍頻，那么在一個信號周期內(nèi)每個計數(shù)脈沖即代表0.050。 圖4 移相時序   圖4是以上述方式進(jìn)行移相的時序圖，設(shè)計數(shù)脈沖的頻率是a信號的3600倍，那么從a信號的上沿開始經(jīng)N個計數(shù)脈沖后產(chǎn)生c信號的上沿，則有a信號超前c信號 N×0.10。但我們需要的是A信號與B信號之間的移相。A信號與a信號的相位是相同的，但

17、c信號與B信號的相位，由于波形轉(zhuǎn)換電路的存在而不相同，其相位差視波形轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)而定。故A信號與B信號之間的實際移相值無法由N×0.10來計算。要獲得A信號與B信號之間的實際移相值，可將B信號整形成b信號(兩信號相位相同)后反饋給單片機，由單片機測量出a信號與b信號之間的計數(shù)脈沖個數(shù)n即可，實際移相值為n×0.10。改變N的值即可改變移相值。  要實現(xiàn)上述設(shè)計，除需要用鎖相環(huán)產(chǎn)生計數(shù)脈沖外，還需要三個16位的計數(shù)器，分別用來計N，n及1800的值。筆者將8032中的計數(shù)器作如下分配：T0計N的值、T1計n的值、T2計1800的值。T0、T1及T2的啟停全部由中斷

18、服務(wù)程序控制。接線如圖3所示。具體是：  a信號的上沿產(chǎn)生INT0中斷，其中斷服務(wù)程序分別將-N及0賦給TH0TL0和TH1TL1；然后使T0、T1開始計數(shù)。  T0歸零，其中斷服務(wù)程序關(guān)閉T0；置P3.0；-1800賦TH2TL2；使T2開始計數(shù)。  T2歸零，其中斷服務(wù)程序清P3.0；關(guān)閉T2。  b信號的上沿產(chǎn)生INT0中斷，其中斷服務(wù)程序關(guān)閉T1；讀取TH1TL1的計數(shù)值n.。  四兩種移相方式的性能比較  通過以上介紹，我們可以看到：以DA轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)的移相，雖然所用元件少，但輸出信號的頻率難以細(xì)調(diào)，特別是移相的最小單位太大

19、 (1.40步)。在50Hz頻率下，要達(dá)到0.10步移相細(xì)度難以辦到。因此，該方式只適合于對頻率要求不高，且移相角度固定的場合。以延時輸出方波的方式實現(xiàn)的移相，其硬件電路比較復(fù)雜(鎖相及波形變換電路)。輸出信號的頻率以參考信號的頻率為準(zhǔn)，而參考信號的頻率則可以精確給定。移相的最小單位可小于0.10步，這就為無級移相提供了基礎(chǔ)。因此，該方式可用于對頻率要求高，且需3600無級移相的場合。  參考資料  1王秉時，移相技術(shù)的發(fā)展與移相器產(chǎn)品的進(jìn)步，電測與儀表1998。3  2沈德金，陳粵初等，MCS。51系列單片機接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗?，北京航空航天大學(xué)出版杜

20、0;                       About Analysis and Implement of Digital Move-phase Technology