鎖相環技術在心電圖機中的應用實踐

景維斌

（江蘇省徐州醫藥高等職業學校，江蘇 徐州 221116）

鎖相環路（Phase-Locked Loop）是一種反饋控制電路，主要依靠輸入的參考信號實現對環路中振蕩信號的控制，鎖相環路具體控制的是振蕩信號的相位和頻率。鎖相環在實際應用的過程中，輸入信號、輸出信號的頻率是相等的，輸入電壓、輸出電壓的相位差值也是固定的，這也可以看作鎖住了輸入電壓、輸出電壓的相位，這也是鎖相環名稱的由來。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步和醫學儀器等新技術領域。

1 鎖相環的組成和工作原理

1.1 鎖相環的構成和作用

鎖相環主要由三個部分組成，分別是鑒相器（PD）、壓控振蕩器（VCO）、環路濾波器（LF），組成框圖如圖1 所示。

圖1 鎖相環組成框圖

圖2 CD4046 管腳圖和內部結構圖

鑒相器（PD）也可以稱作相位比較器，主要負責比較輸入信號ui(t)和壓控振蕩器（VCO）輸出信號uo(t)的相位，通過比較得出兩個信號之間的相位差，并得出誤差電壓uD(t)。壓控振蕩器需要依靠控制電壓進行控制，通過控制電壓來控制壓控振蕩器的頻率，確保其頻率能夠不斷接近輸入信號的頻率，最終消除頻差并進行鎖定。環路濾波器(LF)主要負責消除誤差電壓uD(t)中的噪聲、高頻成分，從而提高整個系統的穩定性，確保鎖相環路能夠發揮出應有的作用。

1.2 鎖相環的原理

鎖相環主要對輸入信號、壓控振蕩器輸出信號二者進行比較，是一種相位誤差控制系統。通過比較得出誤差控制電壓，并依靠誤差控制電壓來對壓控振蕩器頻率進行調整，將頻率控制到輸入信號的頻率。如果鎖相環沒有得到輸入信號，環路濾波器的輸入信號通常就是0，或者是某一個固定的數值，不會發生變化，在這種情況下壓控振蕩器會按照其原本f2 的頻率振蕩。如果對鎖相環輸入了一個頻率為f1 的信號，ui、uo 會依靠鑒相器對f1、f2 進行比較，如果f1、f2 頻率差別不大，鑒相器就會輸出一個誤差電壓ud，ud 的數值是和ui、uo 相位差成正比的，之后，再依靠環路濾波器對ud 中高頻成分進行去除，最終輸出控制電壓uc。控制電壓uc 會對f2 產生影響，使f2 發生改變，數值不斷接近f1的數值，最終f2 和f1 的數值相等，并對環路進行鎖定。環路鎖定后是沒有頻差的，只在輸入信號、壓控振蕩器輸出信號間有一個穩態相位差，這個穩態相位差是固定的。

如果鎖相環路的相位、頻率不斷地變化，并且壓控振蕩器的相位、頻率能夠跟隨環路的變化而產生相應變化，這時，可以稱鎖相環路的狀態為跟蹤狀態。

2 鎖相環技術在心電圖中的應用

2.1 CD4046 集成鎖相環電路

圖2 是CD4046 的管腳排列和內部結構圖，采用16 腳雙列直插式，各管腳功能如下：

1 腳相位輸出端，環路入鎖時為高電平，環路失鎖時為低電平。2 腳相位比較器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 腳解調輸出端，用于FM 解調。11、12 腳外接振蕩電阻。13 腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14 腳信號輸入端。15 腳內部獨立的齊納穩壓管負極。

2.2 ECG6511 心電圖機電機穩速控制電路原理

ECG6511 心電圖機電機穩速控制電路采用鎖相環技術來作為傳動走紙電機的調速和穩速控制，走紙速度準確。電路中IC210 為一集成鎖相環電路CD4046，它發揮的作用十分重要。具體的鎖相環路由IC210、Q20l、Q202、轉換反饋回路構成，是閉合的反饋環，在穩定馬達的轉速時，需要對輸入脈沖、反饋脈沖的相位進行比較。圖3 為ECG6511 心電圖機電機穩速控制電原理圖。

圖3 ECG6511 心電圖機電機穩速控制電原理圖

其過程如下：馬達轉速控制脈沖產生電路產生的頻率為256Hz 和512Hz 的基準頻率方波脈沖信號，作為25mm/s 和50mm/s 的控制脈沖基準信號加到IC210輸入端第14 腳時，輸出端13 腳會在一瞬間輸出一個直流電壓，通過這個電壓來驅動Q201、Q201，實現二者的導通。后續通過J20 的1、2 腳輸出電流，驅動馬達轉動。在馬達轉動的過程中，轉速傳感器需要對轉速進行檢測，將檢測的信號通過C212 和C213 進入反饋回路中，之后通過容IC211 放大反饋脈沖，將反饋脈沖從到IC210 的輸入端3 腳，在這一輸入端充當比較信號，和從14 腳輸入的基準信號進行相位比較，如果比較得出的相位差是0，IC210 輸出的直流電壓就不會改變，如果兩信號相位不同，輸出的直流電壓就需要發生改變。如果馬達的轉速較低的話，14 腳輸入的脈沖相位是比3腳的脈沖相位超前的，會使得輸出的直流電壓變大，最終讓Q20l、Q202 提供更大的電流來驅動馬達轉速的提高。如果馬達的轉速較高，3 腳的脈沖頻率會升高，輸入脈沖的相位和反饋脈沖相位相比，會變得更加滯后，從而降低輸出的電壓，有效減少馬達的轉速。通過這樣進行相位的比較，可以實現對輸出電壓的有效控制，使馬達轉速逐漸趨向于一種恒定狀態。

3 結語

鎖相環技術是一種重要的技術，它的分析和研究是一個熱門的話題。本文正是基于這樣的背景出發，結合自己的教學經驗，對其在醫學儀器領域內的應用做了介紹，以期對工程維修人員有所幫助。