CD4060在车辆测速中的应用

锁相技术课程论文
论文题目：CD4060在车辆测速中的应用
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CD4060在车辆测速中的应用
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（********************* 河南郑州）
摘要本文主要讲述了锁相环集成电路CD4060在转速测量中的应用，并提出了一种可以代替光学测速方法。

利用锁相倍频采样测量的方法来提高测量精度与量化误差。

关键词锁相环，CD4060，转速测量，倍频
1．引言
锁相环是一个闭环的相位控制系统。

它最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。

随着技术的发展，锁相环的应用范围愈来愈广，在电子仪器方面起到了重要作用。

目前对于电动机转速测量的方法很多，常见的有机械rpm转速测量法、光学转测量法等方法。

机械rpm转速测量是最古老的rpm转速测量方法。

它通过机械测量传感器采集数据，再通过仪器内部的电子分析才能得到测量结果。

这种测量方法在测量过程中依赖于接触压力，其最大的缺点是加载运动不连续。

光学转速测量法是一种采用反射原理的转速测量法。

它是利用测量仪器发射出的光线(红外线)，经固定在待测目标上的反射条反射后，即携带上有关转速信息。

测量仪器接收反射波后，经过处理即可得到转速。

这种测量方法虽然要比机械测量法先进．但是这种测量需要在考虑辐射干扰、电磁干扰和传导干扰等因素的同时，确保测量的可靠性和测量精度。

本文提出了一种锁相倍频采样测量方法，来提高动态时的车速测试精度和减小低速时的量化误差。

2．锁相环及CD4060工作原理
锁相环是一个相位的负反馈控制系统。

这个负反馈控制系统是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个部件组成的，基本结构如图一。

图一
2.1失锁与锁定状态
通常在环路开始动作时，鉴相器输出的是一个差拍频率为Δω的差拍电压波A cp sin Δωo t。

若固有频差值Δωo很大，则差拍信号的拍频也很高，不容易通过环路滤波器而形成控制电压u e(t)。

因此，控制频差建立不起来，环路的瞬时频差始终等于固有频差。

鉴相器输出仍然是一个上下对称的正弦差拍波，环路未起控制作用。

环路处于“失锁”状态。

反之，假定固有频差Δωo很小，则差拍信号的拍频就很低，差拍信号容易通过环路滤波器加到压控振荡器上，使压控振荡器的瞬时频率ωo围绕着ωo0在一定范围内来回摆动，也就是说，环路在差拍电压作用下，产生了控制频差。

由于Δωo很小，ωr接近于ωo，所以有可能使ωo摆动到ωI 上，当满足一定条件时就会在这个频率上稳定下来。

稳定后ωo 等于ωr，控制频差等于固有频差，环路瞬时频差等于零，相位差不再随时间变化。

此时，鉴相器只输出一个数值较小的直流误差电压，环路就进入了“同步”或“锁定”状态。

2.2牵引捕捉状态
压控瞬时频率ωo 变化到ωr，且环路在这个频率上稳定下来，这时鉴相器输出也由差拍波变成直流电压，环路进入锁定状态。

很明显，这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的，我们把这个过程叫做捕获。

2.3跟踪状态
当环路已处于锁定状态时，如果参考信号的频率和相位稍有变化，立即会在两个信号的相位差ψe(t)上反映出来，鉴相器输出也随之改变，并驱动压控振荡器的频率和相位发生相应的变化。

如果参考信号的频率和相位也会以一定的规律跟着变化，只要相位变化不超过一定的范围，压控振荡器的频率和相位也会以同样规律跟着变化，这种状态就是环路的跟踪状态。

如果说锁定状态是相对静止的同步状态，则跟踪状态就是相对运动的同步状态。

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路,其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW,属微功耗器件。

图二是CD4046的引脚排列，采用16 脚双列直插式。

图三是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。

比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo 电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。

当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。

从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图四所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。

从图中还可知，fout不一定是对
称波形。

对相位比较器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。

图二图三
3.车速信号的锁相倍频采样测量方法
用CD4046与BCD加法计数器CD4518构成的100倍频电路。

刚开机时，f2可能不等于f1，假定f2<f1，此时相位比较器Ⅱ输UΨ为高电平，经滤波后Ud逐渐升高使VCO输出频率f2迅速上升，f2增大值至 f2=f1，如果此时 Ui滞后 U0，则相位比较器Ⅱ输出UΨ为低电平。

UΨ经滤波后得到的Ud信号开始下降，这就迫使VCO对f2进行微调，最后达到f2/N=f1，并且f2与f1的相位差Δφ=0°。

，进入锁定状态。

如果此后f1又发生变化，锁相环能再次捕获f1，使f2与f1相位锁定。

图四图五
5.结束语
在车辆性能测试中，采用锁相倍频测量技术对车速较低时的速度信号进行倍频处理，可大大提高车辆在低速和变速运动时的测试精度和动态响应，在速度测试精度和速度的实时性方面都获得了满意的效果。

随着锁相技术的不断发展，锁视觉特征只是利用了图像的部分信息，所检索效果往往不够理想。

现在用的比较多的是基于综合特征的图像检索。

但由于单一图像特征只是反应图像某一方面的特性，其提取方法和相似性的度量方法有很大的差异，直接利用这些综合特征进行相似性距离的计算有较大的误差。

本文给出了一种综合特征归一化方法，即在计算两图像间的相似性距离前先将图像特征向量和在某特征上的相似距离进行归一化，然后将各特征上的相似距离加权累加，作为两图像间的最终相似距离，提高了图像检索的效果。

参考文献
[1] 张厥盛.郑继禹.万心平.锁相技术[M].西安电子科技大学出版社.2006
[2] 宋吉江.牛轶霞.锁相技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术.2000,25.
[3]张大华．锁相环集成电路 CD4046 及其在自动化仪表中的应用[J].工业计量．2003（6）：30-32.。