上節(jié)回顧：

????????血管舒張和收縮經(jīng)過脈搏光電傳感器轉(zhuǎn)化為電信號。然后經(jīng)過反向放大器，比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成可以被邏輯電路使用的心跳脈沖。在方案3中使用鎖相環(huán)將心跳脈沖倍頻60倍，這樣計數(shù)1秒鐘就可以得到每分鐘心律。每隔一秒刷新一次。

鎖相環(huán)

????????鎖相環(huán)是倍頻和分頻常用的器件。它由幾個基本單元組成：鑒相器，壓控震蕩器，分頻器M，分頻器N，環(huán)路低通濾波器。

????????? 鑒相器的功能是檢測兩個信號的相位差，輸出這個相位差給低通濾波器轉(zhuǎn)換為1個電壓信號。電壓信號控制VCO的頻率，然后逐步使相位差縮小，達到鎖定狀態(tài)。達到鎖定狀態(tài)后，可以得到一個基本頻率等式。

fin / M = fout / N

所以fout= fin /M *N

????????調(diào)節(jié)M和N的值可以實現(xiàn)分頻和倍頻。例如M=100，N=10則fout= fin/10，實現(xiàn)10分頻。當M=10，N=100時fout = fin *10，實現(xiàn)10倍頻。

CD4046鎖相環(huán)

????????電路設(shè)計時使用鎖相環(huán)芯片CD4046. 它是外置分頻器N，外置環(huán)路低通濾波器的鎖相環(huán)。沒有分頻器M。它的原理如圖

????????CD4046的VCO需要R1 R2 C1來進行振蕩。它內(nèi)部有兩個鑒相器，可以選擇使用其中一個。R3和C2是它的外置環(huán)路低通濾波器。鑒相器1的特點是應(yīng)對噪聲能力強。設(shè)計中使用鑒相器1的輸出給外部低通濾波器。要倍頻60倍，所以外置N分頻器使用模60的計數(shù)器。模60計數(shù)器用兩片74161來完成。

鎖相環(huán)設(shè)計步驟

????????1、先確定VCO的頻率范圍，心律一般在50次到150次每分鐘，所以設(shè)計VCO的頻率范圍為50Hz到150Hz。

????????2、確定C1和R2的值，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊里的圖，Y軸是對數(shù)頻率，X軸是C1的電容值pF?？?V供電R2=100KΩ的線?？梢钥吹?0Hz跟線交叉點對應(yīng)的C1為4*10^5 pF。所以選擇R2=100KΩ，C1取 0.47uF。

????????3、確定R1的值。根據(jù)手冊里的圖，X軸是頻率比例的對數(shù)坐標，Y軸是電阻比例的對數(shù)坐標。fmax/fmin = 150 /50 =3. 對應(yīng)的R2/R1為3左右。因為振蕩器是模擬電路，所以R1的值要在實際中再調(diào)節(jié)一下，這里先選取一個初始值方便調(diào)節(jié)，取R1 = 100KΩ/3= 33KΩ 。

????????4、確定外部環(huán)路低通濾波器。R3和C2的值。心跳間隔時間大約1秒鐘，所以鑒相器的工作頻率在1Hz左右，選擇低通濾波器的截止頻率1Hz。截止頻率太低會導(dǎo)致鎖定緩慢甚至失鎖，截止頻率太高會導(dǎo)致頻率誤差增大。

fc= 1/（2*3.14*RC）

????????取R3=10KΩ，C = 22uF，則fc=0.72Hz。滿足要求。

????????各元件參數(shù)計算出來了，鎖相環(huán)原理圖如下

鎖相環(huán)調(diào)試測試步驟

????????1、 鎖定頻率范圍測試。將分頻器N =1，就是將3和4管腳連接在一起。用硬木課堂測試儀的PWM1提供脈沖信號，示波器測試鎖定頻率范圍。這時鑒相器的工作頻率跟PWM頻率一致，需要將C1先換為0.22uF，fc= 1/（2*3.14*RC）= 79.6Hz，在50Hz到150Hz的中間頻率。

開啟電源供電，使電路工作起來。

設(shè)置 “PI2ALL”?里面的PWM1輸出50Hz，75Hz，150Hz

????????示波器測試鎖定情況。黃色1通道是PWM1信號，藍色2通道是鎖相環(huán)第3管腳，紅色第3通道是9管腳，低通濾波器位置?？梢钥吹剿{色信號跟隨黃色信號，也就是鎖定在黃色信號上?？梢愿采w50Hz到150Hz。（注R1調(diào)試值在15KΩ。）

????????2、 倍頻測試

????????倍頻測試時需要使用外部N=60計數(shù)器。用兩片74ls161和組合邏輯來搭建N=60計數(shù)器。模60計數(shù)器，計數(shù)周期是60。74ls161是低電平有效異步清零。設(shè)計組合邏輯在60時清零計數(shù)器，這樣計數(shù)器以模60來工作。60的二進制計數(shù)從0到59.

????????先測試N=60計數(shù)器。將PWM1的輸出接在input上，設(shè)置頻率為6000Hz，用示波器測試輸出，頻率應(yīng)該在100Hz?？梢钥吹紺H2的頻率為99.96Hz，計數(shù)器工作正常。

????????測試倍頻功能，將N計數(shù)器接入鎖相環(huán)。將input接在鎖相環(huán)的4管腳。將output接在鎖相環(huán)的3管腳。測試倍頻功能。注意，倍頻時鑒相器工作在1Hz左右，需要將C2更換為22uF。PWM1信號接鎖相環(huán)14管腳。設(shè)置PWM1輸出1Hz頻率信號。

????????黃色1通道是PWM1信號，藍色2通道是鎖相環(huán)4管腳，倍頻后的信號。紅色3通道是鎖相環(huán)3管腳，也是N分頻器的輸出。綠色4通道是鎖相環(huán)9管腳，低通濾波器。

????????可以看到紅色信號鎖定黃色信號，N分頻器輸出是1Hz，則分頻器的輸入就是60Hz，也就是倍頻后的頻率。展寬波形可以看到，壓控振蕩器VCO的頻率是動態(tài)調(diào)節(jié)過程，1秒內(nèi)的總脈沖數(shù)量是60，雖然每個脈沖的周期有不同。綠色信號的電壓在波動，對壓控振蕩器進行調(diào)頻

????????3、聯(lián)調(diào)真實的心跳脈沖測試

????????將PWM1信號取下。將調(diào)試好的心跳脈沖信號接入鎖相環(huán)14管腳。將指尖放在光電脈搏傳感器上，力度合適。用示波器觀察傳感器信號（1通道），心跳脈沖（2通道），鎖相環(huán)的N分頻器輸出（3通道），VCO的低通濾波器壓控信號（4通道）。

????可以看到紅色信號鎖定在黃色信號上，心跳倍頻正常。

????鎖相環(huán)電路實物照片