用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速測量

鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的自動相位控制電路，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，簡稱PLL。由于鎖相環(huán)具有鎖定后無頻差的特點，因此廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。

用鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速測量----集成鎖相環(huán)CD4046

過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，因為集成鎖相環(huán)性能優(yōu)良、價格便宜、使用方便，因而獲得廣泛的應用。應該指出，集成鎖相環(huán)往往不含環(huán)路濾波器，因此使用時必須外接不同的R、C元件，構(gòu)成環(huán)路濾波器，使鎖相環(huán)具有不同的性能，以應用于不同的場合。集成鎖相環(huán)CD4046就是其中的一種。

CD4046的特點

鎖相環(huán)CD4046是一種通用的CMOS數(shù)字鎖相環(huán)［2，3］。最高工作頻率約1MHz。電源電壓范圍寬（為3~8V），輸入阻抗高（約100MΩ），動態(tài)功耗極低，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。

CD4046的引腳功能

CD4046采用16腳雙列直插式，其引腳排列如圖下所示。

各引腳功能如下：

CD4046的引腳排列

1腳：相位輸出端，環(huán)路入鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。

2腳：鑒相器Ⅰ的輸出端。

3腳：比較信號輸入端。

4腳：壓控振蕩器輸出端。

5腳：禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。

6、7腳：外接振蕩電容。

8、16腳：電源的負端和正端。

9腳：壓控振蕩器的控制端。

10腳：解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。

11、12腳：外接振蕩電阻。

13腳：鑒相器Ⅱ的輸出端。

14腳：信號輸入端。

15腳：內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。

CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

CD4046的內(nèi)部電原理框圖如圖3所示。主要由壓控振蕩器（VCO）、源跟隨器（A2）、穩(wěn)壓器、線性放大和整形電路（A1）以及兩個鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）組成。

鑒相器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當兩個輸入信Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出信號UΨ為高電平;反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當Ui、Uo的相位差Δφ在0~80°之間變化時，UΨ的脈沖寬度也將隨之改變，即占空比亦在變化。對于鑒相器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50%（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。

鑒相器Ⅱ是一個由信號的上升沿觸發(fā)的數(shù)字存儲鑒相器。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定輸入信號的諧波。兩個鑒相器分別由2腳和13腳輸出，可根據(jù)需要進行選擇。鑒相器Ⅱ還有另一個輸出端（1腳），輸出鎖定信號（相位脈沖），可用作鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的指示。當達到鎖定時，在鑒相器Ⅱ的兩個輸入信號之間保持0°相移。

由于輸入信號Ui（從14腳輸入）一般較小，不符合上面兩種數(shù)字鑒相器對輸入信號電平的要求，而且波形也不規(guī)則，因此輸入信號要先經(jīng)放大和整形電路A1，使其電平和波形均滿足鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）的要求。

環(huán)路濾波器采用外接的阻容網(wǎng)絡（R3、R4、R2），其輸出的控制電壓接至壓控振蕩器（VCO）的輸入端（9腳）。

CD4046鎖相環(huán)采用的是交叉充放電型壓控振蕩器，因此在6、7腳之間外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低;當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz（VDD=15V），若VDD《15V，則fmax要降低一些。

當CD4046用于調(diào)頻波的解調(diào)時，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓經(jīng)源跟隨器（A2）至10腳，得到FM的解調(diào)信號。注意，10腳與地之間必須接負載電阻R5。

CD4046還有一個由齊納二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓值Uz=5~8V）。當CD4046與TTL電路匹配時，該穩(wěn)壓管可用作輔助電源。

綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到鑒相器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，下圖開關K撥至2腳，則鑒相器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號Uo與輸入信號Ui作相位比較，從鑒相器Ⅰ輸出的誤差電壓UΨ則反映出二者的相位差大小;UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一個控制電壓Ud，加至VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近輸入信號頻率f1;VCO的輸出又經(jīng)分頻器再進入鑒相器Ⅰ（根據(jù)需要決定分頻器的有無），繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1，二者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關K撥至13腳，則鑒相器Ⅱ工作，過程與上述相同。

CD4046的內(nèi)部電原理圖