基于FPGA的超聲波電源數字鎖相環電路設計

車保川

摘 要：針對超聲波電源的負載存在頻率漂移這一特性，闡述了一種基于FPGA的數字鎖相環頻率自動跟蹤系統的設計原理及方法。利用XILINX公司生產的SPARTAN-3 FPGA控制芯片對各模塊進行了軟件仿真，并且把各模塊整合到超聲波電源系統中進行了實驗驗證。實驗結果表明，該超聲波電源具有電路簡單、頻率跟蹤性能好等特點。

關鍵詞：FPGA；數字鎖相環；頻率跟蹤；超聲波電源

超聲波電源在實際工作過程中，會因溫度變化、負載變化、工具磨損等因素，使負載的固有頻率發生變化。為了提高工作效率，應使使超聲波電源工作在諧振狀態，即超聲波電源的輸出頻率能夠跟負載固有頻率一致。在傳統的實現方案中，主要采用CD4046、74HC4046等集成芯片構成的模擬電路對負載電流進行頻率跟蹤。但是，這些芯片，存在著頻率跟蹤范圍窄、可靠性差、功耗較大、集成度低、控制不夠靈活，通用性不強等問題。

用數字化控制代替模擬控制，能消除溫漂，有利于參數整定和參數調節，通過軟件程序的改變，方便地調整控制方案，同時可減少元器件數目、簡化硬件結構。此外還可實行運行數據的自動儲存和故障自動診斷，有利于實現電力電子裝置運行的智能化。

本文采用了一種基于FPGA的數字鎖相環的實現方法，來對超聲波電源進行頻率跟蹤。

1 數字鎖相環（DPLL）原理

所謂數字鎖相環路（DPLL）就是環路部件全部數字化，采用數字鑒相器（DPD）、數字環路濾波器（DLF）、數控振蕩器（DCO）構成的鎖相環路，它比較輸入信號和振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產生誤差控制信號來調整振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻同相。

2 數字鎖相環的實現

在FPGA器件內實現全數字鎖相環用途極廣，可以基于FPGA器件把全數字鎖相環路作為一個功能模塊嵌入FPGA器件中構成片內鎖相環。本文設計的鎖相電路，能夠使鎖相環快速進入鎖定狀態，在最短時間內正常工作并且提高輸出頻率的質量。

全數字鎖相環路的結構框圖如圖4所示。其中數字鑒相器由異或門構成，數控振蕩器由加/減脈沖控制器和除N計數器組成?？赡嬗嫈灯骱图?減脈沖控制器的時鐘頻率分別為Mfc和2Nfc。這里fc是環路的中心頻率，一般情況下M=2N，且M和N為2的整數冪。

2.1 鑒相器的設計

異或門鑒相器用于比較輸入信號中u1的相位φ1與數控振蕩器輸出信號u2的相位φ21差，其輸出信號ud的相位φe，作為可逆計數器的計數方向控制信號。當中 為低電平時（φ1和φ2有同極性時），可逆計數器作/加計數；反之，當φe為高電平時，可逆計數器作減計數。

2.2 數字環路濾波器的設計

數字環路濾波器是由變?？赡嬗嫈灯鳂嫵傻?，該計數器設計為一個17位可編程（可變模數）可逆計數器，計數范圍由外部置數DCBA控制。假設系統工作無相位差，由鎖相環原理知，φ1和φ2的相位差為0，異或門鑒相器輸出是一個對稱的方波，因此可逆計數器在相同的時間間隔內進行加或減計數，只要K足夠大，那么從零開始的計數就不會溢出或不夠。進位和借位脈沖可用來控制加/減脈沖控制器，使得其輸出的脈沖數根據進位和借位來加上或者減去一些脈沖。實際上也就改變了加/減脈沖控制器的輸出頻率。

K?？赡嬗嫈灯鞯妮敵霰磉_式為：

2.3 數控振蕩器的設計

數控振蕩器由加/減脈沖控制器和除N計數器組成的。加減電路的輸出表達式為

加/減脈沖控制器其實是一個增量/減量計數器。它和環路濾波器連用，如果在環路濾波器無進位或借位的時候，加/減脈沖控制器對時鐘2Nfc進行二分頻。當加/減脈沖控制的輸入端輸入一個進位脈沖時，輸出脈沖中通過該計數器內部加上一個時鐘脈沖；反之，當加/減脈沖控制的輸入端輸入一個借位脈沖時，輸出脈沖中就減去一個時鐘脈沖。因此通過借位和進位脈沖可以使輸出頻率得到改變，輸出頻率能被進位和借位脈沖的最高頻率控制在一個給定的范圍內。

2.4 仿真結果與分析

把以上各模塊整合成一個系統即本系統的全數字鎖相環電路。取K=16，在（0～100us）時間段內進行仿真。clk信號頻率為l0MHz，（c1k即2Nfc）；取u1信號頻率為50KHz

當鎖相環輸入信號u1，頻率發生變化時鎖相環輸出信號u2在幾個信號周期內即可實現對u1的跟蹤鎖定。

鎖相環當中的鑒相器與數控振蕩器選定后，鎖相環的性能很大程度依賴于數字環路濾波器的參數設置。環路濾波器采用了K模計數器。其功能就是對相位誤差序列計數即濾波，并輸出相應的進位脈沖或是借位脈沖，來調整數控振蕩器輸出信號的相位（或頻率），從而實現相位控制和鎖定。K模計數器作為濾波器有效地濾除了噪聲對環路的干擾作用。

模K愈大，環路進入鎖定狀態的時間越長，K取得過大，對抑制噪聲減少相位抖動有利，但是同時又加大了環路進入鎖定狀態的時間。反之，K取得過小，可以加速環路的鎖定，而對噪聲的抑制能力卻隨之降低。所以在此選取K=16。當輸入信號頻率在100KHz～l0KHz之間調節時，均可實現相位的鎖定。

3 實驗結果與結論

在此以3KW/25KHZ的超聲波電源為實驗對象。圖2是頻率跟蹤后穩態的輸出電壓和電流波形。從圖中可以看出頻率跟蹤后超聲波電源工作在接近諧振狀態，電壓和電流的相位幾乎同步，達到了很好的跟蹤效果。結果表明用FPGA器件實現的數字鎖相電路在超聲波電源的應用中具有良好的表現。

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