数字相位检测：异或脉宽与周期口径

学习教程更新于 2026-10-03编辑本文

相位检测必须先确定电路连接和被测周期。只有器件型号、端口名和“PD”标记，无法证明输出脉宽与相位角之间的换算公式。原记录没有附原理图，本页保留其器件与接线背景，并把可以推导的理想模型单独列出。

原记录能够确认什么

记录项	保留的信息	仍需核对
U49、U50：SN74LVC74ADR	双路上升沿 D 触发器，带异步预置和清零；保留原记录的完整料号	每个 D、CLK、Q、反相 Q、PRE、CLR 实际接到哪里；不能直接认定两片分别负责“整形”和“输出处理”
U51：SN74LVC86APWR	四路二输入异或门	使用哪几路门，输入来自原始时钟还是触发器输出，PD 是否取自某个门的直接输出
PD → PB6（TIM4_CH1）	原拟定的捕获输入	MCU 完整型号、封装、重映射/复用、输入电平与滤波配置
TIM2_CH1 → 2CLK	原拟定的基准输入	2CLK 的真实信号方向及上游时钟关系
TIM3_CH1 → 1CLK	原拟定的相位输入	两个定时器能否以要求的方式同步，以及实际相差是否稳定

TI 的 SN74LVC74A 功能表说明：异步 PRE、CLR 会优先影响状态，正常采样还需要满足建立、保持等时序。SN74LVC86A 功能表则规定两输入不同时输出高。器件功能表不能代替这块板的连线图。

原文把“脉宽等于相位差对应时间、脉冲周期等于输入周期、占空比等于相位角除以 360°”作为一套通用结论。它们只有在特定脉冲形成逻辑和周期定义下才可能同时成立，不能仅凭使用了 D 触发器与异或门就采用。

一个可推导的模型：两个方波直接异或

假设两个输入频率相同、周期为 $T$ 、占空比均为 50%，电平转换理想，输出直接为 $Y=A\oplus B$ ，没有前后级分频、整形或门控。把相位差折叠到 $0\leq\theta\leq180^\circ$ ，相应时间差为：

\Delta t=T\frac{\theta}{360^\circ}.

当 $0<\theta<180^\circ$ 时，一个输入周期内有两段输入电平不同的区间，每段宽度都是 $\Delta t$ ，相邻上升沿间隔为 $T/2$ 。因此：

T_{\mathrm{PD}}=\frac{T}{2},\qquad D_{\mathrm{PD}}=\frac{\Delta t}{T/2} =\frac{\theta}{180^\circ}.

若测到的是单个高脉冲宽度，并且另有可靠的输入周期 $T$ ，可以用 $\theta=360^\circ\Delta t/T$ ；若使用的是异或输出自身的占空比，应使用 $\theta=180^\circ D_{\mathrm{PD}}$ 。两式的分母对应不同周期。

折叠后的相差	单个高脉冲宽度	异或输出周期	输出占空比
$0^\circ$	无高脉冲	恒低，无可捕获重复边沿	0
$45^\circ$	$T/8$	$T/2$	25%
$90^\circ$	$T/4$	$T/2$	50%
$180^\circ$	恒高，不能按两个独立脉冲捕获	无可捕获重复边沿	100%

例如输入为 1 kHz、相差 90°时， $T=1\,\mathrm{ms}$ ，高脉冲宽度是 $250\,\mu\mathrm{s}$ ，异或输出的重复周期是 $500\,\mu\mathrm{s}$ 。若 PWM 输入程序用输出周期计算 50% 占空比，再乘 360°，会误报 180°。

直接异或只给出折叠后的相差大小。90°与 270°产生相同占空比，交换两个输入也不会改变异或结果，因而不能单靠该占空比判断谁超前。输入占空比不等、频率不同或存在额外逻辑时，上面的模型也不再直接适用。

用离散模型检查周期口径

下面程序用每度 10 个采样点构造理想方波，并直接数高电平点、上升沿间隔和脉宽。它没有调用相位换算公式来生成“测量结果”；None 表示输出恒定，无法通过边沿取得周期或独立脉宽。

from fractions import Fraction


def xor_measurement(phase_degrees: int) -> dict:
    """Ideal equal-frequency, 50% square waves; 10 ticks per degree."""
    if type(phase_degrees) is not int:
        raise TypeError("phase_degrees must be an integer")
    period = 3600
    delay = (phase_degrees % 360) * 10
    output = [
        (tick < period // 2) != ((tick - delay) % period < period // 2)
        for tick in range(period)
    ]
    rises = [tick for tick in range(period)
             if output[tick] and not output[(tick - 1) % period]]
    duty = Fraction(sum(output), period)
    if not rises:
        return {"duty": duty, "pulse_width_over_T": None,
                "output_period_over_T": None}
    first = rises[0]
    width = 0
    while output[(first + width) % period]:
        width += 1
    next_rise = rises[1] if len(rises) > 1 else first + period
    return {"duty": duty, "pulse_width_over_T": Fraction(width, period),
            "output_period_over_T": Fraction(next_rise - first, period)}


if __name__ == "__main__":
    for phase in (0, 45, 90, 180, 270):
        print(phase, xor_measurement(phase))

90°的结果为 duty=1/2、pulse_width_over_T=1/4、output_period_over_T=1/2；270°得到相同结果。该整数角度模型用于核对理想逻辑与数学关系，不模拟传播延迟、亚稳态、毛刺或实际定时器。

接入计时器前的核对顺序

补全连线。 从 1CLK、2CLK 到 PD 逐门列出网络，包括触发器异步控制、反馈和初始状态，再推导实际输出关系。若存在分频，应同时记录各级频率和边沿方向。
同时观察输入与输出。 记录输入周期、输出重复周期、单个高/低脉宽；覆盖同相、45°、90°、接近 180°和相位跨过 180°的情况。不能只看一个占空比数值就确认模型。
核对引脚和电气条件。 PB6/TIM4_CH1 只是原记录方案，需要按确切 MCU 型号验证复用关系；确认电源、地参考、输入门限、容许电压和信号方向。
设计捕获异常处理。 恒高/恒低可能没有新边沿，程序应报告超时或状态，不能持续显示上一笔周期。还要处理计数器溢出、捕获覆盖、滤波延迟和窄脉冲分辨率。
给结果标明测量口径。 若用计数值 $N_w$ 和 $N_T$ ，应说明两者测量的是哪一条信号、哪些边沿以及是否使用同一计时基准；确认电路关系后再写换算式。

PWM 输入模式可以帮助取得周期与脉宽，但不会自动识别相位检测拓扑。若需要有符号的相位差，应测量两路对应边沿的先后关系，或使用能提供方向信息且经过验证的检测电路。

本页仅完成器件功能资料核对和理想方波计算，没有现有板卡的原理图、波形或实测结果，不能据此宣布 U49/U50/U51 的实际 PD 接口已经验证。