利用數字鎖相環測量汽車轉速
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摘 要：
- 較寬的電源電壓范圍（3.0～18V）；
- 低功耗（70μA）；
- 振蕩頻率高且穩定（1.3MHz）；
- 頻率溫度漂移小；
- VCO輸出線性好（1%）。
2.1 數字鎖相環4046在本設計中的應用
本設計中，傳感器采集汽車打火系統中的電火花信號，此信號經過限幅、濾波、穩壓，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。經過處理后的信號送給數字鎖相環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倍。頻率大小取決于相位比較器的輸出信號經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 測量汽車轉速的設計電路實現
對于4缸、6缸和8缸汽車發動機，為了得到統一的轉速計算公式，需要對4046的輸出信號進行不同的分頻。對于4缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過6分頻，對于6缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過4分頻，對于8缸汽車發動機來說，4046的輸出信號要經過3分頻。而計數器具有分頻功能，本設計中選用具有可變計數器功能的CMOS芯片4018。只要把4018芯片的6管腳接到1管腳DATA端，就構成6進制計數器，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，就構成四進制計數器，對輸入時鐘信號進行4分頻；把第4和第5管腳經相與后再接到1管腳DATA端，就構成三進制計數器，對輸入時鐘信號進行3分頻；采用一個多路開關就可實現對不同汽缸汽車的轉速測量。
4046的輸出信號經計數器計數，數據鎖存后，送給譯碼電路，譯碼輸出驅動共陰極發光二極管，直接顯示測量結果。
整個測量系統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
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成功地實現了輸入信號的6分頻。
4.1.2 4分頻與3分頻的實現
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，再轉換成頻率，所得波形頻率與輸入直流電壓的關系如表1所示。
通過以上波形顯示和測量數據可以得出以下結論，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系，輸出信號頻率超出音頻范圍。
5 結束語
本設計運用數字鎖相芯片具有的鎖相和壓控振蕩功能，產生高頻振蕩，驅動可變計數器進行不同分頻，產生的與汽車轉速成正比的信號經計數、譯碼后顯示測量結果。配以合理的傳感器采集信號，可用于不同汽缸的汽車轉速的測量，具有一定的實用價值和應用前景。
利用數字鎖相環芯片4046和可變計數器4018實現對汽車轉速的測量，通過計數、譯碼、顯示，直觀得出測量結果，對關鍵的設計環節進行了仿真，驗證了設計的可行性。
關鍵詞：數字鎖相環；壓控振蕩器；轉速；分頻；仿真
1 前言
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數字鎖相芯片4046結構簡單，接線方便，功能擴展容易，在音頻發生器設計、鑒相、頻率合成、壓頻轉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，結合計數器的分頻功能，并通過計數和譯碼顯示測量不同汽缸汽車的轉速。
2 數字鎖相環4046的功能及在本設計中的應用
2.1 數字鎖相環4046功能簡介
數字鎖相環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，這也是鎖相環鎖相的本質。
相位比較器2是邊緣觸發的數字存儲網絡，產生相位差信號（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）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，當外圍參數確定后，振蕩頻率的大小與壓控振蕩器輸入信號成線性關系。
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壓作用。
4046有以下主要特點：
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