巧妙利用数字锁相环测量汽车转速

1 前言


锁相环路诞生于20世纪30年代。近年来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域，能够高性能地完成信号的提取、信号的跟踪与同步，模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。为了便于调整，降低成本和提高可靠性，目前已有多种不同性能的集成锁相环电路，主要分为模拟和数字两种。

数字锁相芯片4046结构简单，接线方便，功能扩展容易，在音频发生器设计、鉴相、频率合成、压频转换等方面获得广泛应用。本文利用4046的锁相和压控振荡原理，结合计数器的分频功能，并通过计数和译码显示测量不同汽缸汽车的转速。 

2 数字锁相环4046的功能及在本设计中的应用

2.1 数字锁相环4046功能简介

数字锁相环4046包含两个相位比较器，一个压控振荡器（VCO），一个源极跟随器和齐纳二极管。比较器有两个共用信号输入端，一个是输入信号端，一个是比较信号输入端，对于大幅值信号，可直接耦合到比较器输入端，对于小幅值信号，可通过电容耦合到放大器上，再送给信号输入端。

相位比较器1是一个或门，产生相位差信号（相位比较器1输出），并在压控振荡器的输出信号中心频率处保持90°相移不变。只要输入信号和比较信号（占空比都为50%）的相位差保持恒定，压控振荡器输出信号的中心频率就跟踪输入信号的频率，这也是锁相环锁相的本质。

相位比较器2是边缘触发的数字存储网络，产生相位差信号（相位比较器2输出）和锁定信号（相位脉冲输出），并在压控振荡器的输出信号中心频率处保持0°相移不变。只要输入信号和比较信号（与占空比无关）的相位差保持恒定，压控振荡器输出信号的中心频率就跟踪输入信号的频率。

压控振荡器（VCO）产生的信号从VCO OUT 输出，振荡频率由压控振荡器输入信号（VCO IN）和6、7管脚间的电容和11、12管脚上接的电阻共同确定，当外围参数确定后，振荡频率的大小与压控振荡器输入信号成线性关系。

源极跟随器通过外接10kΩ以上的电阻接地。当INHIBIT 输入端信号为高电平时，就会屏蔽压控振荡器和源极跟随器来减小功耗。齐纳二极管主要起稳压作用。

4046有以下主要特点：

(1) 较宽的电源电压范围（3.0～18V）；
(2) 低功耗（70μA）；
(3) 振荡频率高且稳定（1.3MHz）；
(4) 频率温度漂移小；
(5) VCO输出线性好（<1%）。

2.1 数字锁相环4046在本设计中的应用

本设计中，传感器采集汽车打火系统中的电火花信号，此信号经过限幅、滤波、稳压，送给电压比较器的同相输入端，与反相输入端的恒定电压值进行比较，输出信号为矩形脉冲，高电平为运算放大器的电源电压值。经过处理后的信号送给数字锁相环4046的输入信号端口，采用4046的第二相位比较器，当输出信号（4管脚）的相位与输入信号的相位差恒定时，输出信号频率为输入信号频率的整数倍。频率大小取决于相位比较器的输出信号经低通滤波处理后的电压和6、7管脚间的电容和11、12管脚上外接的电阻的大小。

3 测量汽车转速的设计电路实现

对于4缸、6缸和8缸汽车发动机，为了得到统一的转速计算公式，需要对4046的输出信号进行不同的分频。对于4缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过6分频，对于6缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过4分频，对于8缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过3分频。而计数器具有分频功能，本设计中选用具有可变计数器功能的CMOS芯片4018。只要把4018芯片的6管脚接到1管脚DATA端，就构成6进制计数器，对输入时钟信号进行6分频；只要把4018芯片的4管脚接到1管脚DATA端，就构成四进制计数器，对输入时钟信号进行4分频；把第4和第5管脚经相与后再接到1管脚DATA端，就构成三进制计数器，对输入时钟信号进行3分频；采用一个多路开关就可实现对不同汽缸汽车的转速测量。

4046的输出信号经计数器计数，数据锁存后，送给译码电路，译码输出驱动共阴极发光二极管，直接显示测量结果。

整个测量系统可用以下原理框图表示。

4 关键设计环节的仿真



本设计的关键环节是数字锁相环4046的锁相和压控振荡功能以及可变计数器4018的分频功能。电路设计与制版软件Protel 99内含一个功能强大的模/数混合信号仿真器，可进行瞬态分析， 显示电路节点的波形，从而验证设计的可行性。可利用此软件的仿真功能来分析4018和4046的功能以及在本设计中的应用。

4.1 4018的分频功能仿真

4.1.1 6分频的实现

由以上分析可知道，只要把4018的6管脚输出接到1管脚DATA端，4018就成为六进制计数器，电路连接如图3所示。

仿真时，在4018的时钟CLK端加上频率为1MHz的方波信号，观察输入信号Ui和输出信号Uo，波形图如图4所示，用软件所带测量光标测量两个信号的频率，Ui的频率恰为Uo的频率的6倍，用4018成功地实现了输入信号的6分频。

4.1.2 4分频与3分频的实现

只要把4018芯片的4管脚接到1管脚DATA端，就可对输入时钟信号进行4分频，把第4和第5管脚相与后再接到1管脚DATA端，就可对输入时钟信号进行3分频，相应的电路连接图和仿真波形不再赘述。

4.2 4046的锁相功能和压控振荡功能仿真

4.2.1 4046的锁相功能仿真



4046内部有两个相位比较器，本设计中使用相位比较器2，把信号输入端（14管脚）的信号与比较输入端（3管脚）的信号进行相位比较，将相位差转化为脉冲信号输出，此信号经过低通滤波器滤波，作为压控振荡器的输入信号，只要14管脚和3管脚的信号相位差恒定，压控振荡器的输入信号就为定值，压控振荡器的输出信号频率就为14管脚信号频率的倍数。实际电路连接图如图5所示。

图5中，经传感器采集并预处理过的信号从信号输入端（14管脚）输入，压控振荡器的输出信号（4管脚）经4018分频后反馈至比较信号输入端（3管脚），鉴相后的信号从相位比较器2（13管脚）输出，此信号经低通滤波处理后送给压控振荡器输入端（9管脚），输出信号频率由压控振荡器输入信号和6、7管脚间的电容C1和11、12管脚上的电阻R1、R2决定。

对4046的锁相功能进行仿真时，从14管脚输入频率为60Hz，高电平为电源电压（10V），占空比为1/4的矩形波信号，从3管脚输入频率为60Hz，高电平为电源电压（10V），占空比为1/2的矩形波信号，二者的相位差是恒定的，从相位比较器2输出的信号滤波后成为直流信号，送给压控振荡器输入端，相应的仿真波形图如图6所示。

由上图可以看出，当输入信号和比较信号的相位差保持恒定时，鉴相后的信号经低通滤波处理后为直流信号，此信号控制压控振荡器的输出信号频率。

4.2.2 4046的压控振荡功能仿真

当外围参数确定后，4046的压控振荡器输出信号频率取决于VCO IN端的直流信号大小。通过设置不同的输入直流信号电压，观察输出信号波形。所采用的电路连接图如图7所示。

分别给VCO IN端加上1.0～7.0V的直流电压，观察VCO OUT端的输出信号波形，所得波形图如图8所示。

通过测量光标测量各输出信号的周期，再转换成频率，所得波形频率与输入直流电压的关系如表1所示。

通过以上波形显示和测量数据可以得出以下结论，压控振荡器的输出信号频率与输入电压具有很好的线性关系，输出信号频率超出音频范围。 

5 结束语

本设计运用数字锁相芯片具有的锁相和压控振荡功能，产生高频振荡，驱动可变计数器进行不同分频，产生的与汽车转速成正比的信号经计数、译码后显示测量结果。配以合理的传感器采集信号，可用于不同汽缸的汽车转速的测量，具有一定的实用价值和应用前景。

参考文献
1 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 2000
2 孟凡文，刘哲，胡连柱. 精密音频发生器的设计与仿真实现. 电子世界，2004，4
3 赵晶. 电路设计与制版Protel 99高级应用. 北京：人民邮电出版社，2001