锁相环技术在心电图机中的应用实践

2020-05-12景维斌

中国设备工程 2020年9期

景维斌

（江苏省徐州医药高等职业学校，江苏徐州 221116）

锁相环路（Phase-Locked Loop）是一种反馈控制电路，主要依靠输入的参考信号实现对环路中振荡信号的控制，锁相环路具体控制的是振荡信号的相位和频率。锁相环在实际应用的过程中，输入信号、输出信号的频率是相等的，输入电压、输出电压的相位差值也是固定的，这也可以看作锁住了输入电压、输出电压的相位，这也是锁相环名称的由来。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步和医学仪器等新技术领域。

1 锁相环的组成和工作原理

1.1 锁相环的构成和作用

锁相环主要由三个部分组成，分别是鉴相器（PD）、压控振荡器（VCO）、环路滤波器（LF），组成框图如图1 所示。

图1 锁相环组成框图

图2 CD4046 管脚图和内部结构图

鉴相器（PD）也可以称作相位比较器，主要负责比较输入信号ui(t)和压控振荡器（VCO）输出信号uo(t)的相位，通过比较得出两个信号之间的相位差，并得出误差电压uD(t)。压控振荡器需要依靠控制电压进行控制，通过控制电压来控制压控振荡器的频率，确保其频率能够不断接近输入信号的频率，最终消除频差并进行锁定。环路滤波器(LF)主要负责消除误差电压uD(t)中的噪声、高频成分，从而提高整个系统的稳定性，确保锁相环路能够发挥出应有的作用。

1.2 锁相环的原理

锁相环主要对输入信号、压控振荡器输出信号二者进行比较，是一种相位误差控制系统。通过比较得出误差控制电压，并依靠误差控制电压来对压控振荡器频率进行调整，将频率控制到输入信号的频率。如果锁相环没有得到输入信号，环路滤波器的输入信号通常就是0，或者是某一个固定的数值，不会发生变化，在这种情况下压控振荡器会按照其原本f2 的频率振荡。如果对锁相环输入了一个频率为f1 的信号，ui、uo 会依靠鉴相器对f1、f2 进行比较，如果f1、f2 频率差别不大，鉴相器就会输出一个误差电压ud，ud 的数值是和ui、uo 相位差成正比的，之后，再依靠环路滤波器对ud 中高频成分进行去除，最终输出控制电压uc。控制电压uc 会对f2 产生影响，使f2 发生改变，数值不断接近f1的数值，最终f2 和f1 的数值相等，并对环路进行锁定。环路锁定后是没有频差的，只在输入信号、压控振荡器输出信号间有一个稳态相位差，这个稳态相位差是固定的。

如果锁相环路的相位、频率不断地变化，并且压控振荡器的相位、频率能够跟随环路的变化而产生相应变化，这时，可以称锁相环路的状态为跟踪状态。

2 锁相环技术在心电图中的应用

2.1 CD4046 集成锁相环电路

图2 是CD4046 的管脚排列和内部结构图，采用16 脚双列直插式，各管脚功能如下：

1 脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2 脚相位比较器Ⅰ的输出端。3 脚比较信号输入端。4 脚压控振荡器输出端。5 脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7 脚外接振荡电容。8、16 脚电源的负端和正端。9 脚压控振荡器的控制端。10 脚解调输出端，用于FM 解调。11、12 脚外接振荡电阻。13 脚相位比较器Ⅱ的输出端。14 脚信号输入端。15 脚内部独立的齐纳稳压管负极。

2.2 ECG6511 心电图机电机稳速控制电路原理

ECG6511 心电图机电机稳速控制电路采用锁相环技术来作为传动走纸电机的调速和稳速控制，走纸速度准确。电路中IC210 为一集成锁相环电路CD4046，它发挥的作用十分重要。具体的锁相环路由IC210、Q20l、Q202、转换反馈回路构成，是闭合的反馈环，在稳定马达的转速时，需要对输入脉冲、反馈脉冲的相位进行比较。图3 为ECG6511 心电图机电机稳速控制电原理图。

图3 ECG6511 心电图机电机稳速控制电原理图

其过程如下：马达转速控制脉冲产生电路产生的频率为256Hz 和512Hz 的基准频率方波脉冲信号，作为25mm/s 和50mm/s 的控制脉冲基准信号加到IC210输入端第14 脚时，输出端13 脚会在一瞬间输出一个直流电压，通过这个电压来驱动Q201、Q201，实现二者的导通。后续通过J20 的1、2 脚输出电流，驱动马达转动。在马达转动的过程中，转速传感器需要对转速进行检测，将检测的信号通过C212 和C213 进入反馈回路中，之后通过容IC211 放大反馈脉冲，将反馈脉冲从到IC210 的输入端3 脚，在这一输入端充当比较信号，和从14 脚输入的基准信号进行相位比较，如果比较得出的相位差是0，IC210 输出的直流电压就不会改变，如果两信号相位不同，输出的直流电压就需要发生改变。如果马达的转速较低的话，14 脚输入的脉冲相位是比3脚的脉冲相位超前的，会使得输出的直流电压变大，最终让Q20l、Q202 提供更大的电流来驱动马达转速的提高。如果马达的转速较高，3 脚的脉冲频率会升高，输入脉冲的相位和反馈脉冲相位相比，会变得更加滞后，从而降低输出的电压，有效减少马达的转速。通过这样进行相位的比较，可以实现对输出电压的有效控制，使马达转速逐渐趋向于一种恒定状态。