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用数字锁相环电路实现高精度宽范围频率控制

来源：华佗健康网

18舰船电子对抗2001年

用数字锁相环电路实现高精度

宽范围频率控制

奚利民

(船舶重工集团公司723所,扬州225001)

摘要　介绍了数字锁相环电路的基本原理,着重对用数字锁相环和计数器组成的高精度、宽

范围的频率调节电路作了详细的描述。

数字锁相环电路　　计数器　　频率调节　　超细分步进电机驱动器关键词　　

0　引　言

双缸高压恒速泵系统是油田研究院科技人员进行科学实验必需的设备。该设备能连

续不断地给受试物体提供恒定流量的液体(单位时间内流体流量不变),一般试验要求恒流精度为015%左右。目前国内各大油田所用设备都是由美国引进,国内此设备为空白状态。为满足国内用户需求,我们对该产品进行了攻关研制。在设计阶段曾遇到这样一个问题,系统要求泵的调速范围必须大于1∶100000,电机转速的恒定精度必须高于1‰。显然对于这样的要求,选用一般的直流电机调速系统是不能满足的。因此我们选用了美国进口的步进电机驱动器DM22262C2和34D29209A步进电机,它具有每转50800步的超级细分,而且电机转速可达800r/min,根据技术指标我们可算出该系统的最大速度调节范围为1∶400000以上,完全能够满足系统要求。

问题是如何给步进电机驱动器设计1套输出高精度且频率范围可从1～400000连续可调的电路。有两种方法可供选择:一种是利用单片机本身的定时器产生脉冲,这种方

收稿日期:2001202206

法虽然可行,但由于单片机本身资源有限,本系统中单片机中断源已用尽,定时器1已用作延时控制,定时器2用作产生通讯波特率,所以再利用定时器产生两路频率输出已无可能;另一种是利用锁相环电路产生基频再利用计数器进行分频,通过有效控制计数器的预置输入端的数值就可改变输出频率,事实证明这种方法占用单片机时间少,输出频率精度高,稳定性好。

1　数字锁相环电路的基本原理

锁相就是相位同步的自动控制。完成2个电信号相位同步的自动控制系统称为锁相环路。锁相环路由3个基本单元即鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成。如图1所示。

图1　锁相环原理框图

鉴相器的作用是将输入信号U1与压控

振荡器的信号U2进行比较,其输出电压由

第4期用数字锁相环电路实现高精度宽范围频率控制19

U1和U2的相位差决定。图2为2种常见

的鉴相器特性曲线,横坐标(<1-<2)表示U1与U2的相位差,纵坐标是鉴相器的直流输出电压U0。压控振荡器输出信号U2的频率f2与电压Uc的大小有关,并受Uc的控制。如果U1与U2的频率不相等,即鉴相器输入的2个电信号存在相位差,那么鉴相器输出电压U0就经低通滤波器得到UC,去调整压控振荡器的频率,使f2向f1靠拢。在反馈过程中不仅频率f2在改变,U1与U2的相位差(<1-<2)以及U0也都在变化,直到f2与f1相等,(<1-<2)为设定的相位差,U0就稳定在某一数值上,这样f2就被锁定了。如果U1的频率(相位)有所变化,那么反馈系统的控制作用就使U2的频率(相位)跟踪变化,保持f2与f1相等。

波后加至VCOR的输入端,从而控制锁相环电路输出脉冲的频率和相位,最后使PCA和PCB端的频率和相位均达到平衡状态。图3中计数器CD40161为可预置型二进制计数器,通过改变其输入端的预置值,可很容易地改变计数器的进位制式,例如,当预置值为5时,计数器从6～16共计数11次便产生进位脉冲;如果预置值为10时,计数器从10～16只要计6次便产生进位脉冲,因此,每个计数器通过改变输入预置端的值,其进制可从1～16任意改变。如果将4个计数器级联合成1个大计数器,那么通过改变其中各自计数器的输入预置端的数值,这个大计数器的进制可从1～65536任意改变。也就是说,经过这个计数器分频后,锁相环电路输出频率可从～2037152Hz任意调节。考虑到4046的最高工作频率为2M左右,实际工作中,可将输出频率控制在500k之内已经完全能够满足系统要求了。但对于低速状态,分辨率Hz显得太粗,为此在锁相电路输出端又增加了1级分频,分频系数可从1～16任意改变,这样当系统要求低速时,

图2　鉴相器特性曲线

2　应用电路的组成

图3是步进电机驱动器DM22262C2的输入控制电路。该电路可提供2～500000

稳定高达011%的输出方波。图中基准脉冲频率为32Hz,是由321768kHz的晶振和4060构成的振荡电路产生脉冲,经计数器分

可将最后一级分频器的预置值设为1;当系统要求高速时,可将该计数器的值设为15。

图3中与非门U11B是用于大计数器的输入数据重置。因为对于每个计数器的输出数据总是从预置值开始计数,达到16时产生进位信号,同时输出数据端又回到零开始计数,如果此时没有重置信号,计数器便以16进制进行以后的计数;如果此时有重置信号,则计数器仍然从预置值开始计数,而不会回零。所以利用计数器的这种特性,在大计数器产生进位脉冲时,将该脉冲信号反相后加至各计数器的重置端,再将输入数值预置进各计数器,开始下一轮计数,从而使锁相环电路产生一固定频率的脉冲信号。而U11A是用于最后一级的分频,其重置信号取自本身的进位输出。

频后得到Hz的脉冲,再通过由74LS74构成的T型触发器整形和二分频后得到的。该基准频率的脉冲占空比已为50%,将该脉冲加至锁相器CD4046R的PCA端,输出端VCO0端加到可预置输入的二进制计数器CD40161的CLK端,此信号经4级分频后通

过T型触发器整形后加至4046的PCB端,由相位比较器2进行鉴相,经低通滤波器滤

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图3　用于步进电机驱动器输入的锁相环电路

　　图3中,各计数器的输入数据的预置是通过74LS273八D锁存器完成的,而各个锁存器的输入端是并联在一起挂接在单片机数据总线上的,因此,只要通过单片机数据总线,向各锁存器发相应的数据并锁存后,即可改变锁相环电路的输出频率。74LS273的clk脚是数据锁存控制端,可接于单片机地址

界面的形式编制了操作软件。经实际运行测

量,各泵的出液精度达到012%以上,完全满足试验要求。该产品性能已达到国外同类产品的指标,填补了国内空白。参考文献

1　陈智文.锁相器MC14046E及其在微型马达速度精密控制中的应用.电子技术应用,19(2):

30～32

2　纪宗南.单片机外围器件实用手册.北京:北京

译码器的地址线上。

3　结束语

用以上应用电路2套配上单片机控制电路,再加上双路压力测量回路、双路位置信号和4套电磁阀控制电路组成了1套双缸恒速泵控制系统。并根据国内用户要求,用中文

航空航天大学出版社,19983　李　华.MCS251系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,19934　涂时亮,陈章龙,张友德.单片微机软件设计技术.重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1988

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