新型频率跟踪移相PWM控制电路

信号，锁相环的输出经反相后作为基准臂功率管VT2驱动控制信号。锁相环的输出同时还作为移相控制电路的输入，移相控制电路的输出输入到第二个锁相环电路，第二个锁相环的输出为移相臂功率管VT4的驱动控制信号，经反相后作为移相臂功率管VT3的驱动控制信号。这样就能保证基准臂功率管的驱动控制信号始终与负载电流是同频同相（或反相）的，也能保证在移相角一定的条件下移相臂功率管驱动控制信号与负载电流的相位关系，因此实现了负载频率的自动跟踪。图中各点波形如图4.6所示。

ioLEM电流传感器过零比较器A锁相环VT1VT2移相控制电路B锁相环VT4VT3

图4.5 频率跟踪移相控制电路原理框图

io?tA(VT1)?t?t?t?tVT2B(VT4)VT3

图4.6 频率跟踪移相控制电路波形图

图4.5中的锁相环外围电路与图4.3所示的CD4046基本锁相环电路相同。下面重点讲述移相电路的设计。

文献[56]给出了一种利用CD4046和比较器LM311实现的移相电路，通过转换开关可实现超前或滞后移相，移相范围为0-180。本文针对串联逆变器容性工作方式的需要，结合频率自动跟踪控制电路，利用文献[56]的基本控制思想提出了如图4.7所示的由移相控制电路。该电路利用了图4.5中第一片CD4046第7脚上与输入PWM波同频同相的锯齿波，将该锯齿波与一给定电压相比较，然后将比较输出信号输入到第二片CD4046的输入端，达到移相的目的。电路的工作波形如图4.8所示。该电路与文献[21,36]中的移相控制电路相比，电路大大简化，只需在频率跟踪电路中加一片比较芯片即可。

0

0

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串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发 V输入方波1634CCV4010640106CC14139BVT114139RRC1CD404612（1）11758RR3VT2RRC61634CVT484VLM311CD404612（2）11758RR9VT3CC2761R645AC2VCCCC35R10CW

图4.7 移相控制电路原理图

电路中的CD40106除了对比较器LM311的输出波形进行整形外，还有抗干扰的作用。由于CD4046第七脚上的锯齿波信号的最大电压为VCC2,所以要求比较器的比较电压范围为0-VCC2。因此在电路中用一阻值与给定电位器阻值相等的电阻R10与CW串联，这样即可满足比较电压范围为0-VCC2的要求。对于如图4.7所示的电路，由于两锁相环电路输入信号的频率相等，因此在设计电路参数时，两锁相环外围电路的参数可取相同。

输入PWM波?t?t?tAB输出信号（C）?t

图4.8 移相控制电路波形图

从图4.8所示的移相控制电路波形图可以看出，输出信号的前沿始终与比较器输出信号的前沿同步，当调节图4.7中的电位器时，比较器的比较电平发生改变，比较器输出信号的前沿也因此移动，由于输出信号的前沿与比较器输出信号前沿的同步关系，输出信号对输入信号而言实现了移相。在该电路中要注意的问题是比较器的输出信号的前沿要保证无毛刺，否则电路难以锁定。为此在比较器的输出端接入了滤波电容C3，对比较器的输出信号进行简单滤波。

4.2.4锁相环路的性能分析及参数计算

4.2.4.1 基本锁相环路的数学模型及传递函数

由于集成锁相环CD4046的鉴相器具有线性鉴相特性，因此我们可以得到由CD4046构成的锁相环路的线性相位模型（复频域），如图4.9所示。

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?i??oeKdF(S)KvS 图4.9 锁相环路的线性相位模型

图中kd为鉴相器灵敏度，kv为压控振荡器灵敏度，F(s)为环路滤波器传递函数。对于如图4.3所示锁相环电路中的无源比例积分滤波器，其传递函数F(s)为：

F（s）?s?2?1s(?1??2)?1 （4.1）

式中，?1?R3C2；?2?R4C2。

令环路的总增益K?kd?kv，可求得环路的闭环传递函数H(s)为： H（s）?再令：

12 ?n?(（4.3） )

?1??2k(s?2?1)/(?1??2)s2?s(1?k?2)/(?1??2)?k/(?1??2) （4.2）

k ??12(k?1??2)(?2?121k ) （4.4）

则式（4.2）可简化为： H(s)?s?n(2???nk)??2n2ns2?2??s??n （4.5）

从（4.5）式可以看出，图4.3所示的环路是一个二阶系统，?为阻尼比，?n为无阻尼自然频率。

4.2.4.2由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路的特性

在由CD4046构成的锁相环路中，采用的是鉴相器Ⅱ，而鉴相器Ⅱ是一种电流型三态鉴频鉴相器，其输出电路采用了电荷泵的形式。当环路处于锁定状态时，鉴相器Ⅱ输出为高阻态，鉴相器输入信号与压控振荡器反馈输入信号之间相差为零，即环路的稳态相差为零。此时滤波环路中电容无放电回路，电容两端的电压维持不变，压控振荡器输出频率恒定。鉴相器Ⅱ的这一功能使得由其构成的锁相环路具有以下几点特性[54,57~60]：

1.由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路是一种直流增益为无穷大的高增益环路；

2.由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路严格来讲是一个离散时间系统，因此不再满足一般二阶环的无条件稳定；

3.由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路同步带与捕捉带相等，且与环路的滤

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串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发 波参数无关，这给电路的设计带来了方便；

4.由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路可实现无相差锁定；

以上由CD4046鉴相器Ⅱ构成的锁相环路的特性使得在对其进行分析与设计时不能沿用常规的二阶系统的一些理论与方法。本文采用了文献[60]中的电荷泵锁相环设计方法。然后给出了设计示例中环路的阶跃响应。 4.2.4.3参数的计算

对如图4.3所示由CD4046构成的锁相环路，环路参数的计算主要是确定与

VCO输出频率有关的电阻R1、R2、电容C1的值以及环路滤波参数的值，即R3、R4及C2的值。

1.振荡电路参数的确定

CD4046中VCO的输出频率由11脚外接电阻R1和12脚的外接电阻R2、6、7脚之间的外接电容C1、9脚的控制电压共同决定。VCO输出的最低频率fmin和最高频率fmax分别为[55]：

ffmin?1R2(C1?32pf)1 （4.6）

fmax?R1(C1?32pf)??min （4.7）

pF?其中：10K?设计举例：

?R1?1M?,10K?R2?1M?，100C1?0.01?F。

pF?要求VCO的输出频率范围为：1000?2000Hz。由于100C1?0.01?FC1?0.01?F, 取

。代入（4.6）、（4.7）式可得：

R2? ? R1?1fmin(C1?32pF)

（4.8）

11000?(0.01?101?6?32?10?12)?1M?（fmax?fmin)(C1?32pF)

（4.9）

?11000?(0.01?10?6?32?10?12)?1M?由于环路中的鉴相器使用的是CD4046中的鉴相器2，所以环路的同步带??H和捕捉带??P为[54]： ??H???P?fmax?2fmin?2000?10002?500Hz （4.10）

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