基于鎖相環(huán)的振弦式傳感器測(cè)頻設(shè)計(jì)

蒙永務(wù)

(1.水利部珠江水利委員會(huì)西江局，廣西 南寧 530007;2.廣西珠委南寧勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530007)

鎖相環(huán)(PLL，Phase Locked Loop)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制技術(shù)，是目前電子和通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，鎖相環(huán)得到了廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)是精確的頻率和相位同步控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖夹盘?hào)和反饋信號(hào)的頻率相等，相位差恒定。將鎖相環(huán)輸入輸出信號(hào)頻率相等的特點(diǎn)引入振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)中，則能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高精度的頻率測(cè)量。

1 PLL工作原理

鎖相環(huán)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分。鑒相器對(duì)參考輸入信號(hào)和VCO輸出反饋信號(hào)的相位進(jìn)行比較，得到與相位誤差相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Ud，環(huán)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(hào)的頻率f1逼近，直至消除頻差而鎖定。

圖1 鎖相環(huán)原理框圖

從上圖可以看到，如果f2是系統(tǒng)的輸出，那么鎖相環(huán)很容易實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的頻率和輸出信號(hào)頻率相等，即實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)頻率的跟蹤。

2 傳統(tǒng)的振弦式傳感器測(cè)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(guān)系，即他輸出的頻率是壓力的函數(shù)[1]。因此測(cè)量傳感器輸出的頻率就可得到對(duì)應(yīng)的壓力。傳統(tǒng)的振弦式傳感器測(cè)頻電路框圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的測(cè)頻系統(tǒng)是在單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，激勵(lì)電路對(duì)傳感器輸出一個(gè)高壓脈沖，傳感器受到激勵(lì)后輸出一個(gè)微弱的電信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形成為數(shù)字信號(hào)；最后由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)頻。由于振弦式傳感器輸出頻率信號(hào)極其微弱，容易受到外界噪聲的干擾。并且輸出信號(hào)持續(xù)的時(shí)間比較短暫，輸出信號(hào)波形圖3所示。

從圖中可以看出，信號(hào)幅度隨時(shí)間按指數(shù)下降。T0區(qū)雖然振蕩幅度較大，但是其處在初始化振蕩時(shí)期，振蕩信號(hào)不穩(wěn)定，不適合在這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行頻率測(cè)量。T2區(qū)由于信號(hào)幅度過(guò)小，也不適合進(jìn)行頻率測(cè)量；T1區(qū)信號(hào)處在振蕩穩(wěn)定期，是測(cè)量頻率最合適的時(shí)間段，但是這段時(shí)間通常不超過(guò)1秒鐘。傳統(tǒng)的振弦式傳感器測(cè)頻電路不能有效解決上述問(wèn)題，從而限制了測(cè)量的精度。

圖3 振弦式傳感器輸出信號(hào)波形

3 PLL技術(shù)的振弦式傳感器測(cè)頻電路

PLL技術(shù)為傳感器的精確測(cè)頻提供了更好的方案。在通信系統(tǒng)的基帶信號(hào)傳輸中，PLL技術(shù)可以從含有大量噪聲的信號(hào)中提取位同步信號(hào)。同樣的，利用PLL技術(shù)可以將振弦式傳感器輸出的有用信號(hào)從大量噪聲中提取出來(lái)。振弦式傳感器輸出的信號(hào)除了與其所受壓力相關(guān)的正弦信號(hào)外，還有大量的外界干擾噪聲，尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的瞬態(tài)干擾，對(duì)測(cè)頻系統(tǒng)的影響非常大。PLL是將相位作為負(fù)反饋控制信號(hào)，輸入信號(hào)可能存在瞬時(shí)的信號(hào)抖動(dòng)，但在一個(gè)固定的時(shí)間段內(nèi)，其相位平均誤差為零。由于相位是對(duì)頻率誤差的積分，對(duì)于輸入信號(hào)中存在的瞬態(tài)干擾，只是造成穩(wěn)態(tài)相位存在誤差，對(duì)于輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率是無(wú)差的。當(dāng)PLL鎖定時(shí)，PLL的輸出頻率能夠穩(wěn)定的跟蹤輸入信號(hào)的頻率，這意味著系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)態(tài)精度。基于PLL技術(shù)的振弦式傳感器測(cè)頻電路框圖如圖3所示。

圖4 基于PLL的振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)框圖

從圖4可以看到，基于PLL的振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)與傳統(tǒng)電路的區(qū)別在于：使用鎖相環(huán)電路取代了整形電路。鎖相環(huán)能夠抑制各種噪聲實(shí)現(xiàn)高精度的頻率跟蹤，為后級(jí)單片機(jī)測(cè)頻電路提供高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的頻率測(cè)量。鎖相環(huán)電路模塊使用低成本的新型 CMOS器件CD4046。該芯片包含2個(gè)不同工作方式的鑒相器，一個(gè)低功耗、高線性的壓控振蕩器。振弦式傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(nèi)部帶有輸入放大、限幅電路，可以忽略輸入信號(hào)的幅度變化，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖5 鎖相環(huán)CD4046電路圖

4 噪聲對(duì)PLL性能的影響

雖然鎖相環(huán)具有較好的性能，但是如果輸入信號(hào)噪聲遠(yuǎn)大于有用信號(hào)，這將嚴(yán)重影響PLL的性能。因此，研究噪聲對(duì)鎖相環(huán)的影響對(duì)工程設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。根據(jù)Parseval定理可以得到[2]

對(duì)于二階PLL系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了一些有用的結(jié)果[3]：

（1）在(SNR)L=1情況下，鎖定過(guò)程將不會(huì)出現(xiàn)；

（2）在(SNR)L=2情況下，最終可能會(huì)鎖定；

在(SNR)L=4情況下，

一般來(lái)說(shuō)可以穩(wěn)定工作；

因此

是工程設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)的可行性和精確度，采用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬傳感器的輸出?？紤]到振弦式傳感器輸出信號(hào)的幅度大概為1mV[4]，并且信號(hào)持續(xù)的時(shí)間也比較短。所以設(shè)定信號(hào)發(fā)生器輸出幅度為1mV，持續(xù)時(shí)間為1秒的正弦波信號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入，表1 為測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1的數(shù)據(jù)可以看出：該系統(tǒng)實(shí)測(cè)頻率誤差小于0.2%， 穩(wěn)定性好。 因此，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

利用PLL可以提高振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)的抗干擾能力，有效提高測(cè)量精度。并且使用PLL使得測(cè)量系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

[1]毛良明.振弦式傳感器及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)在橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2002,(1):73-76.

[2]Gardner,Floyd M. Phaselock Techniques third edition[M].Niet beschikbaar en of geen rechten voor NL,2005,150-230.

[3]Roland E.Best 著.鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用(第五版)[M].李永明,等譯.清華大學(xué)出版社,2007,203-210.

[4]崔軍輝,等.提高振弦式傳感器測(cè)量精度的方法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(9):1176-1179.