简 述

移相电路常用于同步检测器的数据处理中。目前资料上有很多移相电路，其实现方法多种多样，大致可分为模拟式和数字式移相器两类。模拟式移相器的电路较为复杂、线性差、测试精度低;数字式移相器大多以标准逻辑器件按传统数字系统设计方法设计而成，其缺点为功耗大、可靠性低。本文介绍的基于单片机控制的数字移相器，采用环形队列实现信号波形的任意相位移相，并且保持波形的幅度、频率不变。其测试精度高，失真度小。系统原理方框图如图1所示。

1系统硬件电路设计

本系统的硬件电路主要由输入信号倍频电路、AT89C51单片机、A/D转换器、D/A转换器、6116存储器及键盘/显示等电路构成。

1.1输入信号倍频电路

倍频电路由锁相环CC4046及双BCD同步加法计数器4518组成。4518作分频器用，实现720分频，其中，U3：A实现9分频，U2实现80分频。倍频电路中锁相环的输入信号是经过电压比较电路把工频信号变换成的方波信号。当分频器的输出信号(U2：A的6脚输出信号)与锁相环的输入信号fi相一致时，锁相环芯片U1锁存输出的信号频率为fo。假如输入信号频率fi=50Hz，则输出频率fo=36kHz。具体电路如图2所示。

该倍频信号的波形如图3所示，主要有两方面的用途，一是控制A/D转换的采样点数及采样的时间间隔(即一个周期采样720个点)。二是控制D/A输出数据的时间间隔，从而达到输入信号频率与输出信号频率一致。

1.2单片机系统主电路

本电路主要由单片机AT89C51、键盘/显示电路、模数转换器AD574A、数模转换器DAC0832、6116存储器等构成，具体电路如图5所示(键盘/显示电路和6116存储器等图中未画出)。键盘主要用来实现移相的具体数值(度)的设置，功能键包括设置键、数字键(“↑”、“→”)、复位键、运行键等五个键，最多可置720个0(720×0.5度=360度)，因此可达到0～360度的相移。根据任意设定的相位数值，把相位及数据存储到队列(如图4所示)中的相应位置置0。显示用四位数码管实现，最低位为小数位，其余3位为整数位，可显示范围为0.5～360度。

A/D实现对波形数据(幅度)的采集、转换。A/D每采集一个点，就存入存储器的队列中。同样D/A借助单片机先从队列中读入一个数据，再由倍频信号fo来控制D/A输出数据的时间间隔，D/A的第一周期输出从“输出1”口输出，以后则从“输出2”口输出，对采集的720个数据循环输出，因此达到了移相的目的。

另外，因D/AC0832模/数芯片输出的波形存在毛刺，需要进行滤波，通过实验，在其输出端加一个1000p的电容就可以使这些毛剌基本消失，得到较平滑的波形。

2系统软件设计

整个系统软件的执行过程为：首先，通过键盘设置移相的数值，同时在显示器上显示出移相的度数;其次，启动A/D把转换结果存入队列，在A/D的转换过程中，D/A从队列中读出相应数据后D/A输出;第三，D/A不断循环输出，实现连续的移相后的工频信号。系统软件流程框图如图6所示。

3结束语

该数字移相器可对任意波形信号(如正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形)进行任意相位的移相，具有测量精度高、跟踪速度快的特点，根据设定要求移相后所获得的输出波形与输入信号波形的幅度、频率逼近，即输出移相后波形的失真度较小。

AT89C51

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。

现在AT89S51/52已经取代了AT89C51/52。

主要特性

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程FLASH存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

特性

AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚 备选功能

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 /INT0(外部中断0)

P3.3 /INT1(外部中断1)

P3.4 T0(计时器0外部输入)

P3.5 T1(计时器1外部输入)

P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)

P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片工作，直到下一个硬件复位为止。

串口通讯

单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢?

SBUF数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF?而不是收发各用一个寄存器。”实际上SBUF 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址-99H。CPU 在读SBUF 时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H 地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfr SBUF = 0x99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的reg51.h 或at89x51.h 等头文件中已对其做了定义，只要用#include 引用就可以了。

SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51 芯片串行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON 寄存器。它的各个位的具体定义如下：

SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

SM0、SM1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。串行口工作模式设置。

SM0 SM1 模式 功能 波特率

0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12

0 1 1 8位UART 可变

1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/64

1 1 3 9位UART 可变

在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的fosc 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART 为(Universal Asynchronous Receiver)的英文缩写。

SM2 在模式2、模式3 中为多处理机通信使能位。在模式0 中要求该位为0。

REM 为允许接收位，REM 置1 时串口允许接收，置0 时禁止接收。REM 是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1 都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0 来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1 再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0 来进行实验。

TB8 发送数据位8，在模式2 和3 是要发送的第9 位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。

RB8 接收数据位8，在模式2 和3 是已接收数据的第9 位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0 中，RB8 为保留位没有被使用。在模式1 中，当SM2=0，RB8 是已接收数据的停止位。

TI 发送中断标识位。在模式0，发送完第8 位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申请中断，CPU 响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI 都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF 后，硬件发送数据，中断响应(如中断打开)，这时TI=1，表明发送已完成，TI 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。

RI 接收中断标识位。在模式0，接收第8 位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU 取走数据。但在模式1 中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI 置位。同样RI 也必须要靠软件清除。常用的串口模式1 是传输10 个位的，1 位起始位为0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为1。它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1 或定时器2 的定时值(溢出速率)。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有两个定时器，定时器0 和定时器1，而定时器2是89C52 系列芯片才有的。

波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600 会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600 个二进位，而一个字节要8 个二进位，如用串口模式1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10 个二进位，9600 波特率用模式1 传输时，每秒传输的字节数是9600÷10=960 字节。51 芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2 的波特率是固定在fosc/64 或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 为0，波特率为focs/64,SMOD 为1，波特率为focs/32。模式1 和模式3 的波特率是可变的，取决于定时器1 或2(52 芯片)的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢?可以用以下的公式去计算。

波特率=(2SMOD÷32)×定时器1 溢出速率

上式中如设置了PCON 寄存器中的SMOD 位为1 时就可以把波特率提升2 倍。通常会使用定时器1 工作在定时器工作模式1下，这时定时值中的TL1 做为计数，TH1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1 的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式1下定时器1 溢出速率的计算公式如下：

溢出速率=(计数速率)/(256-TH1)

上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51 芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH 的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的计数速率就为1M。通常用11.0592M 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢?计算一下就知道了。如我们要得到9600 的波特率，晶振为11.0592M 和12M，定时器1 为模式2，SMOD 设为1，分别看看那所要求的TH1 为何值。代入公式：

11.0592M

9600=(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1))

TH1=250

12M

9600=(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1))

TH1≈249.49

上面的计算可以看出使用12M 晶体的时候计算出来的TH1 不为整数，而TH1 的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。

封装形式

图51系列单片机DIP封装图

图系列单片机DIP封装图给出了双列直插式封装(DIP. Dualln-line Package), DIP封装与MCS一51系列单片机的引脚完全兼容,可互换使用。

CMOS 工艺制造的低功耗芯片也采用塑封方型扁平式封装(PQFP, Plastic Quad Flat Package)和塑封有引线芯片载体封簇(PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier)形式.这两种封装采用44个引脚,其中4个引脚不用,其引脚排列如图二51系列单片机PQFP和PLCC封装图。