巧妙利用数字锁相环测量汽车转速

1 前言
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/> ---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。

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4 关键设计环节的仿真
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/> ---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

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