【2017年整理】锁相技术.docx

基于锁相环技术的高灵敏车辆探测 程 静，孙文生 北京邮电大学电信工程学院，北京 (100876) E-mail：ye_zi1983@ 摘要：本文针对交通系统中十字路口处车辆的分道行驶管理提出一种设计方案，利用锁相环技术来提高感测装置的灵敏度及抗干扰能力，从而实现对车辆违规越道行为的有效探测。实验结果证明了该设计方案的有效性。 关键词：锁相环，压控振荡器，车辆检测 中图分类号：TP274 1．引言 在交通越来越发达的今天，为了维护正常的交通秩序，实现各对各种交通工具的自动化管理，对各类交通工具的记录和管理是一项重要的内容。本论文所提出的探测方案所针对的主要问题是十字路口处车辆的分道行驶管理。在十字路口处，为了避免交通阻塞，保证交通安全，规定交通车辆必须按道行驶而不得越道。因此,须采用相应感测装置,对车辆的违规越道行为进行监控。 现在的交通部门已经有相关的交通工具探测方案,比如对闯红灯行为的记录处理,采用的方案就是在等待线下埋入相应感测装置,当有车经过时则发出特定信号,系统根据这样的信号进行判断处理,再通过路口摄像头对违章车辆进行拍照记录。 探测车辆越道行为的原理与此类似，也是利用埋入地下的感测装置进行的。由于分道行驶标记线宽度的限制，使得感测装置的大小和形状受到很大的限制。因此为了有效探测车辆越道行驶行为，对测量灵敏度的要求大大提高了。现行探测方案若用于十字路口处车辆的分道行驶管理将无法实现对车辆的越道行为的有效探测。 现行方案一般采用单片机测量频率，其灵敏度不高,抗干扰能力不强，这是由于单片机测量频率的原理是在一定时间t内统计脉冲信号的个数，以脉冲个数变化反映频率的变化[1]。假设传感振荡电路的频率为100KHZ（这个值已经接近实际应用的极限，因为如果振荡频率再增大的话，将会向外发射能量，对周围产生电磁干扰）,如果统计时间t＝1ms，则可记录100次脉冲，即理论上灵敏度的最大值能达到1%，但实际情况还要除去不稳定因素的影响，所以灵敏度不可能太高。当然，也可以延长统计时间，如延长到t=10ms，则理论的灵敏度能达到0.1%（但实际值也要打很大的折扣），这样的话就影响了反映速度。所以该灵敏度不能达到实际应用的要求。 本文提出一种设计方案，利用锁相环技术来提高感测装置的灵敏度及抗干扰能力，从而实现对车辆的有效探测。实验证明该设计方案达到了实际应用的要求。 2．锁相环原理 2.1 锁相环的组成 锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL(Phase-Locked Loop)。锁相环广泛应用于广播通信、频率合成、自动 控制及时钟同步等技术领域[2]。 锁相环主要由鉴相器（Phase Detector）、压控振荡器（VCO: Voltage Controlled Osillator）、环路滤波器（Loop Filter）三部分组成，如图1所示。 鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号Ui(t)和压控振荡器的输出信号Uo(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Ue(t)。 环路滤波器的作用是滤除误差电压Ue(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。 压控振荡器受控制电压Ud(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。 图1 锁相环路的组成 2.2 锁相环的工作原理 锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频[3]。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。 当锁相环入锁时，它具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。 锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态，在同步状态下，始终有ωo=ωi。在锁相环保持同步的条件下，输入频率ωi的最大变化范围，称为同步带宽，用ΔωH 表示。超出此范围，环路则失锁。 失锁时，ωo≠ωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi向ωo靠拢，进而使 Δωo=（ωi－ωo）减小，当Δω