基于锁相环的振弦式传感器测频设计

2013-08-29蒙永务

大众科技 2013年8期

蒙永务

(1.水利部珠江水利委员会西江局，广西南宁 530007;2.广西珠委南宁勘测设计院，广西南宁 530007)

锁相环(PLL，Phase Locked Loop)技术也称自动相位控制技术，是目前电子和通信领域的一项重要技术。近年来，随着电子技术和通信技术的不断发展，锁相环得到了广泛的应用。锁相环是精确的频率和相位同步控制系统，可以实现输入参考信号和反馈信号的频率相等，相位差恒定。将锁相环输入输出信号频率相等的特点引入振弦式传感器测频系统中，则能够实现低成本高精度的频率测量。

1 PLL工作原理

锁相环的典型结构如图1所示，包括鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分。鉴相器对参考输入信号和VCO输出反馈信号的相位进行比较，得到与相位误差相对应的电压信号Ud，环路滤波器将Ud中的高频成分滤除得到Uf，Uf控制VCO的输出，使压控振荡器的频率f2向参考输入信号的频率f1逼近，直至消除频差而锁定。

图1 锁相环原理框图

从上图可以看到，如果f2是系统的输出，那么锁相环很容易实现输入信号的频率和输出信号频率相等，即实现输入信号频率的跟踪。

2 传统的振弦式传感器测频电路

振弦式传感器是一种频率性传感器，其所受的压力跟其固有频率存在某一种确定关系，即他输出的频率是压力的函数[1]。因此测量传感器输出的频率就可得到对应的压力。传统的振弦式传感器测频电路框图如图2所示。

图2 传统的振弦式传感器测频系统框图

传统的测频系统是在单片机系统的控制下，激励电路对传感器输出一个高压脉冲，传感器受到激励后输出一个微弱的电信号；该信号经过放大、滤波、整形成为数字信号；最后由单片机系统进行测频。由于振弦式传感器输出频率信号极其微弱，容易受到外界噪声的干扰。并且输出信号持续的时间比较短暂，输出信号波形图3所示。

从图中可以看出，信号幅度随时间按指数下降。T0区虽然振荡幅度较大，但是其处在初始化振荡时期，振荡信号不稳定，不适合在这个时间段进行频率测量。T2区由于信号幅度过小，也不适合进行频率测量；T1区信号处在振荡稳定期，是测量频率最合适的时间段，但是这段时间通常不超过1秒钟。传统的振弦式传感器测频电路不能有效解决上述问题，从而限制了测量的精度。

图3 振弦式传感器输出信号波形

3 PLL技术的振弦式传感器测频电路

PLL技术为传感器的精确测频提供了更好的方案。在通信系统的基带信号传输中，PLL技术可以从含有大量噪声的信号中提取位同步信号。同样的，利用PLL技术可以将振弦式传感器输出的有用信号从大量噪声中提取出来。振弦式传感器输出的信号除了与其所受压力相关的正弦信号外，还有大量的外界干扰噪声，尤其是工业现场存在的瞬态干扰，对测频系统的影响非常大。PLL是将相位作为负反馈控制信号，输入信号可能存在瞬时的信号抖动，但在一个固定的时间段内，其相位平均误差为零。由于相位是对频率误差的积分，对于输入信号中存在的瞬态干扰，只是造成稳态相位存在误差，对于输入信号和输出信号的频率是无差的。当PLL锁定时，PLL的输出频率能够稳定的跟踪输入信号的频率，这意味着系统具有较高的稳态精度。基于PLL技术的振弦式传感器测频电路框图如图3所示。

图4 基于PLL的振弦式传感器测频系统框图

从图4可以看到，基于PLL的振弦式传感器测频系统与传统电路的区别在于：使用锁相环电路取代了整形电路。锁相环能够抑制各种噪声实现高精度的频率跟踪，为后级单片机测频电路提供高质量的数字信号，从而实现了高精度的频率测量。锁相环电路模块使用低成本的新型 CMOS器件CD4046。该芯片包含2个不同工作方式的鉴相器，一个低功耗、高线性的压控振荡器。振弦式传感器输出的信号经过放大，滤除噪声后可以直接送到CD4046。具体电路如图5所示。

CD4046的输入引脚被电阻R1，R2偏置在VCC/2电压。芯片内部带有输入放大、限幅电路，可以忽略输入信号的幅度变化，提高了系统的动态范围。