利用數(shù)字鎖相環(huán)測量汽車轉(zhuǎn)速
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
摘 要：
- 較寬的電源電壓范圍（3.0～18V）；
- 低功耗（70μA）；
- 振蕩頻率高且穩(wěn)定（1.3MHz）；
- 頻率溫度漂移??；
- VCO輸出線性好（1%）。
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)4046在本設計中的應用
本設計中，傳感器采集汽車打火系統(tǒng)中的電火花信號，此信號經(jīng)過限幅、濾波、穩(wěn)壓，送給電壓比較器的同相輸入端，與反相輸入端的恒定電壓值進行比較，輸出信號為矩形脈沖，高電平為運算放大器的電源電壓值。經(jīng)過處理后的信號送給數(shù)字鎖相環(huán)4046的輸入信號端口，采用4046的第二相位比較器，當輸出信號（4管腳）的相位與輸入信號的相位差恒定時，輸出信號頻率為輸入信號頻率的整數(shù)倍。頻率大小取決于相位比較器的輸出信號經(jīng)低通濾波處理后的電壓和6、7管腳間的電容和11、12管腳上外接的電阻的大小。
3 測量汽車轉(zhuǎn)速的設計電路實現(xiàn)
對于4缸、6缸和8缸汽車發(fā)動機，為了得到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速計算公式，需要對4046的輸出信號進行不同的分頻。對于4缸汽車發(fā)動機來說，4046的輸出信號要經(jīng)過6分頻，對于6缸汽車發(fā)動機來說，4046的輸出信號要經(jīng)過4分頻，對于8缸汽車發(fā)動機來說，4046的輸出信號要經(jīng)過3分頻。而計數(shù)器具有分頻功能，本設計中選用具有可變計數(shù)器功能的CMOS芯片4018。只要把4018芯片的6管腳接到1管腳DATA端，就構(gòu)成6進制計數(shù)器，對輸入時鐘信號進行6分頻；只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就構(gòu)成四進制計數(shù)器，對輸入時鐘信號進行4分頻；把第4和第5管腳經(jīng)相與后再接到1管腳DATA端，就構(gòu)成三進制計數(shù)器，對輸入時鐘信號進行3分頻；采用一個多路開關(guān)就可實現(xiàn)對不同汽缸汽車的轉(zhuǎn)速測量。
4046的輸出信號經(jīng)計數(shù)器計數(shù)，數(shù)據(jù)鎖存后，送給譯碼電路，譯碼輸出驅(qū)動共陰極發(fā)光二極管，直接顯示測量結(jié)果。
整個測量系統(tǒng)可用以下原理框圖表示。
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4.1 4018的分頻功能仿真
4.1.1 6分頻的實現(xiàn)
由以上分析可知道，只要把4018的6管腳輸出接到1管腳DATA端，4018就成為六進制計數(shù)器，電路連接如圖3所示。
仿真時，在4018的時鐘CLK端加上頻率為1MHz的方波信號，觀察輸入信號Ui和輸出信號Uo，波形圖如圖4所示，用軟件所帶測量光標測量兩個信號的頻率，Ui的頻率恰為Uo的頻率的6倍，用4018成功地實現(xiàn)了輸入信號的6分頻。
4.1.2 4分頻與3分頻的實現(xiàn)
只要把4018芯片的4管腳接到1管腳DATA端，就可對輸入時鐘信號進行4分頻，把第4和第5管腳相與后再接到1管腳DATA端，就可對輸入時鐘信號進行3分頻，相應的電路連接圖和仿真波形不再贅述。
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4.2.1 4046的鎖相功能仿真
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圖5中，經(jīng)傳感器采集并預處理過的信號從信號輸入端（14管腳）輸入，壓控振蕩器的輸出信號（4管腳）經(jīng)4018分頻后反饋至比較信號輸入端（3管腳），鑒相后的信號從相位比較器2（13管腳）輸出，此信號經(jīng)低通濾波處理后送給壓控振蕩器輸入端（9管腳），輸出信號頻率由壓控振蕩器輸入信號和6、7管腳間的電容C1和11、12管腳上的電阻R1、R2決定。
對4046的鎖相功能進行仿真時，從14管腳輸入頻率為60Hz，高電平為電源電壓（10V），占空比為1/4的矩形波信號，從3管腳輸入頻率為60Hz，高電平為電源電壓（10V），占空比為1/2的矩形波信號，二者的相位差是恒定的，從相位比較器2輸出的信號濾波后成為直流信號，送給壓控振蕩器輸入端，相應的仿真波形圖如圖6所示。
由上圖可以看出，當輸入信號和比較信號的相位差保持恒定時，鑒相后的信號經(jīng)低通濾波處理后為直流信號，此信號控制壓控振蕩器的輸出信號頻率。
4.2.2 4046的壓控振蕩功能仿真
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分別給VCO IN端加上1.0～7.0V的直流電壓，觀察VCO OUT端的輸出信號波形，所得波形圖如圖8所示。
通過測量光標測量各輸出信號的周期，再轉(zhuǎn)換成頻率，所得波形頻率與輸入直流電壓的關(guān)系如表1所示。
通過以上波形顯示和測量數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，壓控振蕩器的輸出信號頻率與輸入電壓具有很好的線性關(guān)系，輸出信號頻率超出音頻范圍。
5 結(jié)束語
本設計運用數(shù)字鎖相芯片具有的鎖相和壓控振蕩功能，產(chǎn)生高頻振蕩，驅(qū)動可變計數(shù)器進行不同分頻，產(chǎn)生的與汽車轉(zhuǎn)速成正比的信號經(jīng)計數(shù)、譯碼后顯示測量結(jié)果。配以合理的傳感器采集信號，可用于不同汽缸的汽車轉(zhuǎn)速的測量，具有一定的實用價值和應用前景。
利用數(shù)字鎖相環(huán)芯片4046和可變計數(shù)器4018實現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)速的測量，通過計數(shù)、譯碼、顯示，直觀得出測量結(jié)果，對關(guān)鍵的設計環(huán)節(jié)進行了仿真，驗證了設計的可行性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字鎖相環(huán)；壓控振蕩器；轉(zhuǎn)速；分頻；仿真
1 前言
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數(shù)字鎖相芯片4046結(jié)構(gòu)簡單，接線方便，功能擴展容易，在音頻發(fā)生器設計、鑒相、頻率合成、壓頻轉(zhuǎn)換等方面獲得廣泛應用。本文利用4046的鎖相和壓控振蕩原理，結(jié)合計數(shù)器的分頻功能，并通過計數(shù)和譯碼顯示測量不同汽缸汽車的轉(zhuǎn)速。
2 數(shù)字鎖相環(huán)4046的功能及在本設計中的應用
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)4046功能簡介
數(shù)字鎖相環(huán)4046包含兩個相位比較器，一個壓控振蕩器（VCO），一個源極跟隨器和齊納二極管。比較器有兩個共用信號輸入端，一個是輸入信號端，一個是比較信號輸入端，對于大幅值信號，可直接耦合到比較器輸入端，對于小幅值信號，可通過電容耦合到放大器上，再送給信號輸入端。
相位比較器1是一個或門，產(chǎn)生相位差信號（相位比較器1輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持90°相移不變。只要輸入信號和比較信號（占空比都為50%）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率，這也是鎖相環(huán)鎖相的本質(zhì)。
相位比較器2是邊緣觸發(fā)的數(shù)字存儲網(wǎng)絡，產(chǎn)生相位差信號（相位比較器2輸出）和鎖定信號（相位脈沖輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持0°相移不變。只要輸入信號和比較信號（與占空比無關(guān)）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率。
壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生的信號從VCO OUT 輸出，振蕩頻率由壓控振蕩器輸入信號（VCO IN）和6、7管腳間的電容和11、12管腳上接的電阻共同確定，當外圍參數(shù)確定后，振蕩頻率的大小與壓控振蕩器輸入信號成線性關(guān)系。
源極跟隨器通過外接10kΩ以上的電阻接地。當INHIBIT 輸入端信號為高電平時，就會屏蔽壓控振蕩器和源極跟隨器來減小功耗。齊納二極管主要起穩(wěn)壓作用。
4046有以下主要特點：
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