景維斌

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116）

鎖相環(huán)路（Phase-Locked Loop）是一種反饋控制電路，主要依靠輸入的參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路中振蕩信號(hào)的控制，鎖相環(huán)路具體控制的是振蕩信號(hào)的相位和頻率。鎖相環(huán)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，輸入信號(hào)、輸出信號(hào)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(huán)名稱的由來(lái)。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步和醫(yī)學(xué)儀器等新技術(shù)領(lǐng)域。

1 鎖相環(huán)的組成和工作原理

1.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成和作用

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

圖1 鎖相環(huán)組成框圖

圖2 CD4046 管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

鑒相器（PD）也可以稱作相位比較器，主要負(fù)責(zé)比較輸入信號(hào)ui(t)和壓控振蕩器（VCO）輸出信號(hào)uo(t)的相位，通過(guò)比較得出兩個(gè)信號(hào)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(jìn)行控制，通過(guò)控制電壓來(lái)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(hào)的頻率，最終消除頻差并進(jìn)行鎖定。環(huán)路濾波器(LF)主要負(fù)責(zé)消除誤差電壓uD(t)中的噪聲、高頻成分，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保鎖相環(huán)路能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

1.2 鎖相環(huán)的原理

鎖相環(huán)主要對(duì)輸入信號(hào)、壓控振蕩器輸出信號(hào)二者進(jìn)行比較，是一種相位誤差控制系統(tǒng)。通過(guò)比較得出誤差控制電壓，并依靠誤差控制電壓來(lái)對(duì)壓控振蕩器頻率進(jìn)行調(diào)整，將頻率控制到輸入信號(hào)的頻率。如果鎖相環(huán)沒有得到輸入信號(hào)，環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)通常就是0，或者是某一個(gè)固定的數(shù)值，不會(huì)發(fā)生變化，在這種情況下壓控振蕩器會(huì)按照其原本f2 的頻率振蕩。如果對(duì)鎖相環(huán)輸入了一個(gè)頻率為f1 的信號(hào)，ui、uo 會(huì)依靠鑒相器對(duì)f1、f2 進(jìn)行比較，如果f1、f2 頻率差別不大，鑒相器就會(huì)輸出一個(gè)誤差電壓ud，ud 的數(shù)值是和ui、uo 相位差成正比的，之后，再依靠環(huán)路濾波器對(duì)ud 中高頻成分進(jìn)行去除，最終輸出控制電壓uc。控制電壓uc 會(huì)對(duì)f2 產(chǎn)生影響，使f2 發(fā)生改變，數(shù)值不斷接近f1的數(shù)值，最終f2 和f1 的數(shù)值相等，并對(duì)環(huán)路進(jìn)行鎖定。環(huán)路鎖定后是沒有頻差的，只在輸入信號(hào)、壓控振蕩器輸出信號(hào)間有一個(gè)穩(wěn)態(tài)相位差，這個(gè)穩(wěn)態(tài)相位差是固定的。

如果鎖相環(huán)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(huán)路的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化，這時(shí)，可以稱鎖相環(huán)路的狀態(tài)為跟蹤狀態(tài)。

2 鎖相環(huán)技術(shù)在心電圖中的應(yīng)用

2.1 CD4046 集成鎖相環(huán)電路

圖2 是CD4046 的管腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(huán)路入鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2 腳相位比較器Ⅰ的輸出端。3 腳比較信號(hào)輸入端。4 腳壓控振蕩器輸出端。5 腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)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(fù)端和正端。9 腳壓控振蕩器的控制端。10 腳解調(diào)輸出端，用于FM 解調(diào)。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(hào)輸入端。15 腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。

2.2 ECG6511 心電圖機(jī)電機(jī)穩(wěn)速控制電路原理

ECG6511 心電圖機(jī)電機(jī)穩(wěn)速控制電路采用鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)作為傳動(dòng)走紙電機(jī)的調(diào)速和穩(wěn)速控制，走紙速度準(zhǔn)確。電路中IC210 為一集成鎖相環(huán)電路CD4046，它發(fā)揮的作用十分重要。具體的鎖相環(huán)路由IC210、Q20l、Q202、轉(zhuǎn)換反饋回路構(gòu)成，是閉合的反饋環(huán)，在穩(wěn)定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速時(shí)，需要對(duì)輸入脈沖、反饋脈沖的相位進(jìn)行比較。圖3 為ECG6511 心電圖機(jī)電機(jī)穩(wěn)速控制電原理圖。

圖3 ECG6511 心電圖機(jī)電機(jī)穩(wěn)速控制電原理圖

其過(guò)程如下：馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的頻率為256Hz 和512Hz 的基準(zhǔn)頻率方波脈沖信號(hào)，作為25mm/s 和50mm/s 的控制脈沖基準(zhǔn)信號(hào)加到IC210輸入端第14 腳時(shí)，輸出端13 腳會(huì)在一瞬間輸出一個(gè)直流電壓，通過(guò)這個(gè)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)Q201、Q201，實(shí)現(xiàn)二者的導(dǎo)通。后續(xù)通過(guò)J20 的1、2 腳輸出電流，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。在馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)速傳感器需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)C212 和C213 進(jìn)入反饋回路中，之后通過(guò)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(dāng)比較信號(hào)，和從14 腳輸入的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)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(huì)改變，如果兩信號(hào)相位不同，輸出的直流電壓就需要發(fā)生改變。如果馬達(dá)的轉(zhuǎn)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(huì)使得輸出的直流電壓變大，最終讓Q20l、Q202 提供更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的提高。如果馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較高，3 腳的脈沖頻率會(huì)升高，輸入脈沖的相位和反饋脈沖相位相比，會(huì)變得更加滯后，從而降低輸出的電壓，有效減少馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)這樣進(jìn)行相位的比較，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的有效控制，使馬達(dá)轉(zhuǎn)速逐漸趨向于一種恒定狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

鎖相環(huán)技術(shù)是一種重要的技術(shù)，它的分析和研究是一個(gè)熱門的話題。本文正是基于這樣的背景出發(fā)，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其在醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用做了介紹，以期對(duì)工程維修人員有所幫助。