基于鎖相環的振弦式傳感器測頻設計

2013-08-29 17:00:20蒙永務

大眾科技 2013年8期

蒙永務

(1.水利部珠江水利委員會西江局，廣西南寧 530007;2.廣西珠委南寧勘測設計院，廣西南寧 530007)

鎖相環(PLL，Phase Locked Loop)技術也稱自動相位控制技術，是目前電子和通信領域的一項重要技術。近年來，隨著電子技術和通信技術的不斷發展，鎖相環得到了廣泛的應用。鎖相環是精確的頻率和相位同步控制系統，可以實現輸入參考信號和反饋信號的頻率相等，相位差恒定。將鎖相環輸入輸出信號頻率相等的特點引入振弦式傳感器測頻系統中，則能夠實現低成本高精度的頻率測量。

1 PLL工作原理

鎖相環的典型結構如圖1所示，包括鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分。鑒相器對參考輸入信號和VCO輸出反饋信號的相位進行比較，得到與相位誤差相對應的電壓信號Ud，環路濾波器將Ud中的高頻成分濾除得到Uf，Uf控制VCO的輸出，使壓控振蕩器的頻率f2向參考輸入信號的頻率f1逼近，直至消除頻差而鎖定。

圖1 鎖相環原理框圖

從上圖可以看到，如果f2是系統的輸出，那么鎖相環很容易實現輸入信號的頻率和輸出信號頻率相等，即實現輸入信號頻率的跟蹤。

2 傳統的振弦式傳感器測頻電路

振弦式傳感器是一種頻率性傳感器，其所受的壓力跟其固有頻率存在某一種確定關系，即他輸出的頻率是壓力的函數[1]。因此測量傳感器輸出的頻率就可得到對應的壓力。傳統的振弦式傳感器測頻電路框圖如圖2所示。

圖2 傳統的振弦式傳感器測頻系統框圖

傳統的測頻系統是在單片機系統的控制下，激勵電路對傳感器輸出一個高壓脈沖，傳感器受到激勵后輸出一個微弱的電信號；該信號經過放大、濾波、整形成為數字信號；最后由單片機系統進行測頻。由于振弦式傳感器輸出頻率信號極其微弱，容易受到外界噪聲的干擾。并且輸出信號持續的時間比較短暫，輸出信號波形圖3所示。

從圖中可以看出，信號幅度隨時間按指數下降。T0區雖然振蕩幅度較大，但是其處在初始化振蕩時期，振蕩信號不穩定，不適合在這個時間段進行頻率測量。T2區由于信號幅度過小，也不適合進行頻率測量；T1區信號處在振蕩穩定期，是測量頻率最合適的時間段，但是這段時間通常不超過1秒鐘。傳統的振弦式傳感器測頻電路不能有效解決上述問題，從而限制了測量的精度。

圖3 振弦式傳感器輸出信號波形

3 PLL技術的振弦式傳感器測頻電路

PLL技術為傳感器的精確測頻提供了更好的方案。在通信系統的基帶信號傳輸中，PLL技術可以從含有大量噪聲的信號中提取位同步信號。同樣的，利用PLL技術可以將振弦式傳感器輸出的有用信號從大量噪聲中提取出來。振弦式傳感器輸出的信號除了與其所受壓力相關的正弦信號外，還有大量的外界干擾噪聲，尤其是工業現場存在的瞬態干擾，對測頻系統的影響非常大。PLL是將相位作為負反饋控制信號，輸入信號可能存在瞬時的信號抖動，但在一個固定的時間段內，其相位平均誤差為零。由于相位是對頻率誤差的積分，對于輸入信號中存在的瞬態干擾，只是造成穩態相位存在誤差，對于輸入信號和輸出信號的頻率是無差的。當PLL鎖定時，PLL的輸出頻率能夠穩定的跟蹤輸入信號的頻率，這意味著系統具有較高的穩態精度。基于PLL技術的振弦式傳感器測頻電路框圖如圖3所示。

圖4 基于PLL的振弦式傳感器測頻系統框圖

從圖4可以看到，基于PLL的振弦式傳感器測頻系統與傳統電路的區別在于：使用鎖相環電路取代了整形電路。鎖相環能夠抑制各種噪聲實現高精度的頻率跟蹤，為后級單片機測頻電路提供高質量的數字信號，從而實現了高精度的頻率測量。鎖相環電路模塊使用低成本的新型 CMOS器件CD4046。該芯片包含2個不同工作方式的鑒相器，一個低功耗、高線性的壓控振蕩器。振弦式傳感器輸出的信號經過放大，濾除噪聲后可以直接送到CD4046。具體電路如圖5所示。

CD4046的輸入引腳被電阻R1，R2偏置在VCC/2電壓。芯片內部帶有輸入放大、限幅電路，可以忽略輸入信號的幅度變化，提高了系統的動態范圍。