巧妙利用數(shù)字鎖相環(huán)測(cè)量汽車轉(zhuǎn)速

1 前言
---鎖相環(huán)路誕生于20世紀(jì)30年代。近年來，鎖相技術(shù)在通信、航天、測(cè)量、電視、原子能、電機(jī)控制等領(lǐng)域，能夠高性能地完成信號(hào)的提取、信號(hào)的跟蹤與同步，模擬和數(shù)字通信的調(diào)制與解調(diào)、頻率合成、濾波等功能，已經(jīng)成為電子設(shè)備中常用的基本部件之一。為了便于調(diào)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(huán)電路，主要分為模擬和數(shù)字兩種。
---數(shù)字鎖相芯片4046結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接線方便，功能擴(kuò)展容易，在音頻發(fā)生器設(shè)計(jì)、鑒相、頻率合成、壓頻轉(zhuǎn)換等方面獲得廣泛應(yīng)用。本文利用4046的鎖相和壓控振蕩原理，結(jié)合計(jì)數(shù)器的分頻功能，并通過計(jì)數(shù)和譯碼顯示測(cè)量不同汽缸汽車的轉(zhuǎn)速。

2 數(shù)字鎖相環(huán)4046的功能及在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)4046功能簡(jiǎn)介
---數(shù)字鎖相環(huán)4046包含兩個(gè)相位比較器，一個(gè)壓控振蕩器（VCO），一個(gè)源極跟隨器和齊納二極管。比較器有兩個(gè)共用信號(hào)輸入端，一個(gè)是輸入信號(hào)端，一個(gè)是比較信號(hào)輸入端，對(duì)于大幅值信號(hào)，可直接耦合到比較器輸入端，對(duì)于小幅值信號(hào)，可通過電容耦合到放大器上，再送給信號(hào)輸入端。
---相位比較器1是一個(gè)或門，產(chǎn)生相位差信號(hào)（相位比較器1輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號(hào)中心頻率處保持90°相移不變。只要輸入信號(hào)和比較信號(hào)（占空比都為50%）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號(hào)的中心頻率就跟蹤輸入信號(hào)的頻率，這也是鎖相環(huán)鎖相的本質(zhì)。
---相位比較器2是邊緣觸發(fā)的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生相位差信號(hào)（相位比較器2輸出）和鎖定信號(hào)（相位脈沖輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號(hào)中心頻率處保持0°相移不變。只要輸入信號(hào)和比較信號(hào)（與占空比無關(guān)）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號(hào)的中心頻率就跟蹤輸入信號(hào)的頻率。
---壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生的信號(hào)從VCO OUT 輸出，振蕩頻率由壓控振蕩器輸入信號(hào)（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(dāng)外圍參數(shù)確定后，振蕩頻率的大小與壓控振蕩器輸入信號(hào)成線性關(guān)系。
---源極跟隨器通過外接10kΩ以上的電阻接地。當(dāng)INHIBIT 輸入端信號(hào)為高電平時(shí)，就會(huì)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(wěn)壓作用。
---4046有以下主要特點(diǎn)：
---(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(wěn)定（1.3MHz）；
---(4) 頻率溫度漂移??；
---(5) VCO輸出線性好（<1%）。
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)4046在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
---本設(shè)計(jì)中，傳感器采集汽車打火系統(tǒng)中的電火花信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過限幅、濾波、穩(wěn)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(jìn)行比較，輸出信號(hào)為矩形脈沖，高電平為運(yùn)算放大器的電源電壓值。經(jīng)過處理后的信號(hào)送給數(shù)字鎖相環(huán)4046的輸入信號(hào)端口，采用4046的第二相位比較器，當(dāng)輸出信號(hào)（4管腳）的相位與輸入信號(hào)的相位差恒定時(shí)，輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的整數(shù)倍。頻率大小取決于相位比較器的輸出信號(hào)經(jīng)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(cè)量汽車轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)
---對(duì)于4缸、6缸和8缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，為了得到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，需要對(duì)4046的輸出信號(hào)進(jìn)行不同的分頻。對(duì)于4缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，4046的輸出信號(hào)要經(jīng)過6分頻，對(duì)于6缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，4046的輸出信號(hào)要經(jīng)過4分頻，對(duì)于8缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，4046的輸出信號(hào)要經(jīng)過3分頻。而計(jì)數(shù)器具有分頻功能，本設(shè)計(jì)中選用具有可變計(jì)數(shù)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(gòu)成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行6分頻；只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就構(gòu)成四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行4分頻；把第4和第5管腳經(jīng)相與后再接到1管腳DATA端，就構(gòu)成三進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行3分頻；采用一個(gè)多路開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同汽缸汽車的轉(zhuǎn)速測(cè)量。
---4046的輸出信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)鎖存后，送給譯碼電路，譯碼輸出驅(qū)動(dòng)共陰極發(fā)光二極管，直接顯示測(cè)量結(jié)果。
---整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可用以下原理框圖表示。

4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的仿真
---本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是數(shù)字鎖相環(huán)4046的鎖相和壓控振蕩功能以及可變計(jì)數(shù)器4018的分頻功能。電路設(shè)計(jì)與制版軟件Protel 99內(nèi)含一個(gè)功能強(qiáng)大的模/數(shù)混合信號(hào)仿真器，可進(jìn)行瞬態(tài)分析， 顯示電路節(jié)點(diǎn)的波形，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
4.1 4018的分頻功能仿真
4.1.1 6分頻的實(shí)現(xiàn)
---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(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路連接如圖3所示。
---仿真時(shí)，在4018的時(shí)鐘CLK端加上頻率為1MHz的方波信號(hào)，觀察輸入信號(hào)Ui和輸出信號(hào)Uo，波形圖如圖4所示，用軟件所帶測(cè)量光標(biāo)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的頻率，Ui的頻率恰為Uo的頻率的6倍，用4018成功地實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的6分頻。
4.1.2 4分頻與3分頻的實(shí)現(xiàn)
---只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就可對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)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(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行3分頻，相應(yīng)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(nèi)部有兩個(gè)相位比較器，本設(shè)計(jì)中使用相位比較器2，把信號(hào)輸入端（14管腳）的信號(hào)與比較輸入端（3管腳）的信號(hào)進(jìn)行相位比較，將相位差轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出，此信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾波，作為壓控振蕩器的輸入信號(hào)，只要14管腳和3管腳的信號(hào)相位差恒定，壓控振蕩器的輸入信號(hào)就為定值，壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率就為14管腳信號(hào)頻率的倍數(shù)。實(shí)際電路連接圖如圖5所示。
---圖5中，經(jīng)傳感器采集并預(yù)處理過的信號(hào)從信號(hào)輸入端（14管腳）輸入，壓控振蕩器的輸出信號(hào)（4管腳）經(jīng)4018分頻后反饋至比較信號(hào)輸入端（3管腳），鑒相后的信號(hào)從相位比較器2（13管腳）輸出，此信號(hào)經(jīng)低通濾波處理后送給壓控振蕩器輸入端（9管腳），輸出信號(hào)頻率由壓控振蕩器輸入信號(hào)和6、7管腳間的電容C1和11、12管腳上的電阻R1、R2決定。
---對(duì)4046的鎖相功能進(jìn)行仿真時(shí)，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(hào)，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(hào)，二者的相位差是恒定的，從相位比較器2輸出的信號(hào)濾波后成為直流信號(hào)，送給壓控振蕩器輸入端，相應(yīng)的仿真波形圖如圖6所示。
---由上圖可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)和比較信號(hào)的相位差保持恒定時(shí)，鑒相后的信號(hào)經(jīng)低通濾波處理后為直流信號(hào)，此信號(hào)控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率。
4.2.2 4046的壓控振蕩功能仿真

---當(dāng)外圍參數(shù)確定后，4046的壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率取決于VCO IN端的直流信號(hào)大小。通過設(shè)置不同的輸入直流信號(hào)電壓，觀察輸出信號(hào)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(hào)波形，所得波形圖如圖8所示。
---通過測(cè)量光標(biāo)測(cè)量各輸出信號(hào)的周期，再轉(zhuǎn)換成頻率，所得波形頻率與輸入直流電壓的關(guān)系如表1所示。
---通過以上波形顯示和測(cè)量數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率與輸入電壓具有很好的線性關(guān)系，輸出信號(hào)頻率超出音頻范圍。

5 結(jié)束語
---本設(shè)計(jì)運(yùn)用數(shù)字鎖相芯片具有的鎖相和壓控振蕩功能，產(chǎn)生高頻振蕩，驅(qū)動(dòng)可變計(jì)數(shù)器進(jìn)行不同分頻，產(chǎn)生的與汽車轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、譯碼后顯示測(cè)量結(jié)果。配以合理的傳感器采集信號(hào)，可用于不同汽缸的汽車轉(zhuǎn)速的測(cè)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。