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巧妙利用数字锁相环测量汽车转速

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  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VCOOUT输出,振荡频率由压控振荡器输入信号(VCOIN)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

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