利用数字锁相环测量汽车转速

摘 要：

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