用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速測量

鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的自動相位控制電路，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，簡稱PLL。由于鎖相環(huán)具有鎖定后無頻差的特點，因此廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。

用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速測量----集成鎖相環(huán)CD4046

過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，因為集成鎖相環(huán)性能優(yōu)良、價格便宜、使用方便，因而獲得廣泛的應(yīng)用。應(yīng)該指出，集成鎖相環(huán)往往不含環(huán)路濾波器，因此使用時必須外接不同的R、C元件，構(gòu)成環(huán)路濾波器，使鎖相環(huán)具有不同的性能，以應(yīng)用于不同的場合。集成鎖相環(huán)CD4046就是其中的一種。

CD4046的特點

鎖相環(huán)CD4046是一種通用的CMOS數(shù)字鎖相環(huán)［2，3］。最高工作頻率約1MHz。電源電壓范圍寬（為3~8V），輸入阻抗高（約100MΩ），動態(tài)功耗極低，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。

CD4046的引腳功能

CD4046采用16腳雙列直插式，其引腳排列如圖下所示。

各引腳功能如下：

CD4046的引腳排列

1腳：相位輸出端，環(huán)路入鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。

2腳：鑒相器Ⅰ的輸出端。

3腳：比較信號輸入端。

4腳：壓控振蕩器輸出端。

5腳：禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。

6、7腳：外接振蕩電容。

8、16腳：電源的負端和正端。

9腳：壓控振蕩器的控制端。

10腳：解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。

11、12腳：外接振蕩電阻。

13腳：鑒相器Ⅱ的輸出端。

14腳：信號輸入端。

15腳：內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。

CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

CD4046的內(nèi)部電原理框圖如圖3所示。主要由壓控振蕩器（VCO）、源跟隨器（A2）、穩(wěn)壓器、線性放大和整形電路（A1）以及兩個鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）組成。

鑒相器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸入信Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出信號UΨ為高電平;反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0~80°之間變化時，UΨ的脈沖寬度也將隨之改變，即占空比亦在變化。對于鑒相器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50%（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。

鑒相器Ⅱ是一個由信號的上升沿觸發(fā)的數(shù)字存儲鑒相器。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定輸入信號的諧波。兩個鑒相器分別由2腳和13腳輸出，可根據(jù)需要進行選擇。鑒相器Ⅱ還有另一個輸出端（1腳），輸出鎖定信號（相位脈沖），可用作鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的指示。當(dāng)達到鎖定時，在鑒相器Ⅱ的兩個輸入信號之間保持0°相移。

由于輸入信號Ui（從14腳輸入）一般較小，不符合上面兩種數(shù)字鑒相器對輸入信號電平的要求，而且波形也不規(guī)則，因此輸入信號要先經(jīng)放大和整形電路A1，使其電平和波形均滿足鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）的要求。

環(huán)路濾波器采用外接的阻容網(wǎng)絡(luò)（R3、R4、R2），其輸出的控制電壓接至壓控振蕩器（VCO）的輸入端（9腳）。

CD4046鎖相環(huán)采用的是交叉充放電型壓控振蕩器，因此在6、7腳之間外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低;當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz（VDD=15V），若VDD《15V，則fmax要降低一些。

當(dāng)CD4046用于調(diào)頻波的解調(diào)時，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓經(jīng)源跟隨器（A2）至10腳，得到FM的解調(diào)信號。注意，10腳與地之間必須接負載電阻R5。

CD4046還有一個由齊納二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓值Uz=5~8V）。當(dāng)CD4046與TTL電路匹配時，該穩(wěn)壓管可用作輔助電源。

綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到鑒相器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，下圖開關(guān)K撥至2腳，則鑒相器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號Uo與輸入信號Ui作相位比較，從鑒相器Ⅰ輸出的誤差電壓UΨ則反映出二者的相位差大小;UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一個控制電壓Ud，加至VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近輸入信號頻率f1;VCO的輸出又經(jīng)分頻器再進入鑒相器Ⅰ（根據(jù)需要決定分頻器的有無），繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1，二者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則鑒相器Ⅱ工作，過程與上述相同。

CD4046的內(nèi)部電原理圖

 

用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速測量----電機測速系統(tǒng)的工作原理

電機測速系統(tǒng)的組成基于鎖相環(huán)的電機測速系統(tǒng)框圖如下圖所示。

用光電轉(zhuǎn)換電路監(jiān)測電動機轉(zhuǎn)速，其基本原理是在被測的電動機轉(zhuǎn)軸上粘貼一個反光標(biāo)記，光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)將一束光照射到被測轉(zhuǎn)軸的端面上，

電動機每轉(zhuǎn)一周，反射光線投射到光電元件上的強弱發(fā)生一次改變，這樣光電元件每受光一次就產(chǎn)生一個脈沖信號。由于該脈沖的形狀不是規(guī)則的方波，所以需經(jīng)過整形、放大后，再送入計數(shù)器。

這里的光電元件多采用光敏二極管、光敏三極管和光電池，以提高壽命、減小體積、減小功耗以及提高可靠性。光源一般用白熾燈泡。

（2）倍頻器

計數(shù)器對輸入的脈沖信號計數(shù)，從而測量出單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)，即可轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)速。由于每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系為：n=f&TImes;60

所以，在對脈沖信號進行計數(shù)之前，電路中必須加入一級60倍頻器。60倍頻器的輸出信號頻率為fo，是輸入信號頻率fi的60倍，其作用是將一秒鐘內(nèi)從整形電路輸出的脈沖數(shù)乘以60，再送入計數(shù)、譯碼、顯示電路，顯示的值即為該瞬間的電動機轉(zhuǎn)速（r/min），從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速快速、實時的測量。本系統(tǒng)中采用集成鎖相環(huán)CD4046和60進制分頻器組成60倍頻器。其原理電路如下圖所示。由圖可見，分頻器被插入在VCO輸出和鑒相器之間。

由CD4046構(gòu)成的倍頻器

剛開機時，比較信號的頻率f2/n可能不等于輸入信號的頻率f1，假定f2/n《f1，此時鎖相環(huán)CD4046內(nèi)的相位比較器Ⅱ輸出UΨ為高電平，經(jīng)濾波后Ud逐漸升高，使VCO輸出頻率f2迅速上升;如果此時Ui滯后U0，則相位比較器Ⅱ輸出UΨ為低電平，UΨ經(jīng)濾波后得到的Ud信號開始下降，這就迫使VCO對f2進行微調(diào)，最后達到f2/n=f1（即：f2=f1&TImes;n），并且f2與f1的相位差Δφ=0°。此時，整個環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。如果此后f1又發(fā)生變化，鎖相環(huán)能再次捕獲f1，使f2與f1相位鎖定。這里取n=60，則當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時，VCO輸出信號頻率f2（即鎖相環(huán)輸出信號頻率）和鎖相環(huán)輸入信號頻率f1的關(guān)系為：f2=f1&TImes;60，從而達到了60倍頻的目的。

（3）計數(shù)、譯碼、顯示電路計數(shù)、譯碼、顯示電路的功能是：計數(shù)器在倍頻

器輸出的脈沖信號觸發(fā)下加法計數(shù)，累計單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，并使計數(shù)器每分鐘作一次清零。在每次周期性的清零前一時刻，將計數(shù)器記下的數(shù)值傳送到寄存器存儲，寄存器中寄存的數(shù)在以后的1分鐘內(nèi)始終保持不變，并進行譯碼、驅(qū)動數(shù)碼管直接顯示，這樣就可記下電動機每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，即被測電動機的轉(zhuǎn)速。

該電路可采用ZCL102系列組件。ZCL102實質(zhì)上是由CMOS集成電路C180芯片、ZC412芯片、0.5寸LED數(shù)碼管三部分組成，具有十進制計數(shù)/鎖存/譯碼驅(qū)動/顯示功能。

電機測速系統(tǒng)的原理電路

用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)的電動機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理電路如下所示。由圖可見，鎖相環(huán)CD4046和芯片CD4518構(gòu)成60倍頻器。CD4518是一個集成的雙二-五-十進制計數(shù)器芯片，CD4518中的每個計數(shù)器包含兩個時鐘輸入端：CP和EN。CP用于上升沿觸發(fā)，要求EN=1;EN用于下降沿觸發(fā)，要求CP=0。R是復(fù)位端，且異步復(fù)位，高電平有效。

電動機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理電路