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[導(dǎo)讀]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

 

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

 

 

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