|
1 前言 鎖相環路誕生于20世紀30年代。近年來，鎖相技術在通信、航天、測量、電視、原子能、電機控制等領域，能夠高性能地完成信號的提取、信號的跟蹤與同步，模擬和數字通信的調制與解調、頻率合成、濾波等功能，已經成為電子設備中常用的基本部件之一。為了便于調整，降低成本和提高可靠性，目前已有多種不同性能的集成鎖相環電路，主要分為模擬和數字兩種。 數字鎖相芯片4046結構簡單，接線方便，功能擴展容易，在音頻發生器設計、鑒相、頻率合成、壓頻轉換等方面獲得廣泛應用。本文利用4046的鎖相和壓控振蕩原理，結合計數器的分頻功能，并通過計數和譯碼顯示測量不同汽缸汽車的轉速。 2 數字鎖相環4046的功能及在本設計中的應用 2.1 數字鎖相環4046功能簡介 數字鎖相環4046包含兩個相位比較器，一個壓控振蕩器（VCO），一個源極跟隨器和齊納二極管。比較器有兩個共用信號輸入端，一個是輸入信號端，一個是比較信號輸入端，對于大幅值信號，可直接耦合到比較器輸入端，對于小幅值信號，可通過電容耦合到放大器上，再送給信號輸入端。 相位比較器1是一個或門，產生相位差信號（相位比較器1輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持90°相移不變。只要輸入信號和比較信號（占空比都為50%）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率，這也是鎖相環鎖相的本質。 相位比較器2是邊緣觸發的數字存儲網絡，產生相位差信號（相位比較器2輸出）和鎖定信號（相位脈沖輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持0°相移不變。只要輸入信號和比較信號（與占空比無關）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率。 壓控振蕩器（VCO）產生的信號從VCO OUT 輸出，振蕩頻率由壓控振蕩器輸入信號（VCO IN）和6、7管腳間的電容和11、12管腳上接的電阻共同確定，當外圍參數確定后，振蕩頻率的大小與壓控振蕩器輸入信號成線性關系。 源極跟隨器通過外接10kΩ以上的電阻接地。當INHIBIT 輸入端信號為高電平時，就會屏蔽壓控振蕩器和源極跟隨器來減小功耗。齊納二極管主要起穩壓作用。 4046有以下主要特點： (1) 較寬的電源電壓范圍（3.0～18V）； (2) 低功耗（70μA）； (3) 振蕩頻率高且穩定（1.3MHz）； (4) 頻率溫度漂移小； (5) VCO輸出線性好（<1%）。 2.1 數字鎖相環4046在本設計中的應用 本設計中，傳感器采集汽車打火系統中的電火花信號，此信號經過限幅、濾波、穩壓，送給電壓比較器的同相輸入端，與反相輸入端的恒定電壓值進行比較，輸出信號為矩形脈沖，高電平為運算放大器的電源電壓值。經過處理后的信號送給數字鎖相環4046的輸入信號端口，采用4046的第二相位比較器，當輸出信號（4管腳）的相位與輸入信號的相位差恒定時，輸出信號頻率為輸入信號頻率的整數倍。頻率大小取決于相位比較器的輸出信號經低通濾波處理后的電壓和6、7管腳間的電容和11、12管腳上外接的電阻的大小。 3 測量汽車轉速的設計電路實現 對于4缸、6缸和8缸汽車發動機，為了得到統一的轉速計算公式，需要對4046的輸出信號進行不同的分頻。對于4缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過6分頻，對于6缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過4分頻，對于8缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過3分頻。而計數器具有分頻功能，本設計中選用具有可變計數器功能的CMOS芯片4018。只要把4018芯片的6管腳接到1管腳DATA端，就構成6進制計數器，對輸入時鐘信號進行6分頻；只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就構成四進制計數器，對輸入時鐘信號進行4分頻；把第4和第5管腳經相與后再接到1管腳DATA端，就構成三進制計數器，對輸入時鐘信號進行3分頻；采用一個多路開關就可實現對不同汽缸汽車的轉速測量。 4046的輸出信號經計數器計數，數據鎖存后，送給譯碼電路，譯碼輸出驅動共陰極發光二極管，直接顯示測量結果。 整個測量系統可用以下原理框圖表示。 4 關鍵設計環節的仿真 本設計的關鍵環節是數字鎖相環4046的鎖相和壓控振蕩功能以及可變計數器4018的分頻功能。電路設計與制版軟件Protel 99內含一個功能強大的模/數混合信號仿真器，可進行瞬態分析， 顯示電路節點的波形，從而驗證設計的可行性。可利用此軟件的仿真功能來分析4018和4046的功能以及在本設計中的應用。 4.1 4018的分頻功能仿真 4.1.1 6分頻的實現 由以上分析可知道，只要把4018的6管腳輸出接到1管腳DATA端，4018就成為六進制計數器，電路連接如圖3所示。 仿真時，在4018的時鐘CLK端加上頻率為1MHz的方波信號，觀察輸入信號Ui和輸出信號Uo，波形圖如圖4所示，用軟件所帶測量光標測量兩個信號的頻率，Ui的頻率恰為Uo的頻率的6倍，用4018成功地實現了輸入信號的6分頻。 4.1.2 4分頻與3分頻的實現 只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就可對輸入時鐘信號進行4分頻，把第4和第5管腳相與后再接到1管腳DATA端，就可對輸入時鐘信號進行3分頻，相應的電路連接圖和仿真波形不再贅述。 4.2 4046的鎖相功能和壓控振蕩功能仿真 4.2.1 4046的鎖相功能仿真 4046內部有兩個相位比較器，本設計中使用相位比較器2，把信號輸入端（14管腳）的信號與比較輸入端（3管腳）的信號進行相位比較，將相位差轉化為脈沖信號輸出，此信號經過低通濾波器濾波，作為壓控振蕩器的輸入信號，只要14管腳和3管腳的信號相位差恒定，壓控振蕩器的輸入信號就為定值，壓控振蕩器的輸出信號頻率就為14管腳信號頻率的倍數。實際電路連接圖如圖5所示。 圖5中，經傳感器采集并預處理過的信號從信號輸入端（14管腳）輸入，壓控振蕩器的輸出信號（4管腳）經4018分頻后反饋至比較信號輸入端（3管腳），鑒相后的信號從相位比較器2（13管腳）輸出，此信號經低通濾波處理后送給壓控振蕩器輸入端（9管腳），輸出信號頻率由壓控振蕩器輸入信號和6、7管腳間的電容C1和11、12管腳上的電阻R1、R2決定。 對4046的鎖相功能進行仿真時，從14管腳輸入頻率為60Hz，高電平為電源電壓（10V），占空比為1/4的矩形波信號，從3管腳輸入頻率為60Hz，高電平為電源電壓（10V），占空比為1/2的矩形波信號，二者的相位差是恒定的，從相位比較器2輸出的信號濾波后成為直流信號，送給壓控振蕩器輸入端，相應的仿真波形圖如圖6所示。 由上圖可以看出，當輸入信號和比較信號的相位差保持恒定時，鑒相后的信號經低通濾波處理后為直流信號，此信號控制壓控振蕩器的輸出信號頻率。 4.2.2 4046的壓控振蕩功能仿真 當外圍參數確定后，4046的壓控振蕩器輸出信號頻率取決于VCO IN端的直流信號大小。通過設置不同的輸入直流信號電壓，觀察輸出信號波形。所采用的電路連接圖如圖7所示。 分別給VCO IN端加上1.0～7.0V的直流電壓，觀察VCO OUT端的輸出信號波形，所得波形圖如圖8所示。 通過測量光標測量各輸出信號的周期，再轉換成頻率，所得波形頻率與輸入直流電壓的關系如表1所示。 通過以上波形顯示和測量數據可以得出以下結論，壓控振蕩器的輸出信號頻率與輸入電壓具有很好的線性關系，輸出信號頻率超出音頻范圍。 5 結束語 本設計運用數字鎖相芯片具有的鎖相和壓控振蕩功能，產生高頻振蕩，驅動可變計數器進行不同分頻，產生的與汽車轉速成正比的信號經計數、譯碼后顯示測量結果。配以合理的傳感器采集信號，可用于不同汽缸的汽車轉速的測量，具有一定的實用價值和應用前景。 參考文獻 1 童詩白，華成英. 模擬電子技術基礎. 北京: 高等教育出版社, 2000 2 孟凡文，劉哲，胡連柱. 精密音頻發生器的設計與仿真實現. 電子世界，2004，4 3 趙晶. 電路設計與制版Protel 99高級應用. 北京：人民郵電出版社，2001 |
