锁相技术在三相交流调压电源装置中的应用

2010-09-25刘开绪邹立君郭宗光

大庆师范学院学报 2010年6期

刘开绪，邹立君，郭宗光

(大庆师范学院物理与电气信息工程学院, 黑龙江大庆 163712)

0 引言

三相交流调压装置在工业生产中得到了广泛的应用。随着电子技术的发展和工艺的进步，基于智能芯片的调压装置不断被研发出来。

晶闸管交流调压电源装置要解决的技术关键是同步触发和移相控制，交流调压电源装置还兼做无触点开关使用，在故障时封锁调压电源装置的触发脉冲输出，从而使人身安全和设备安全得到保证。为了适应工业生产工作环境的需要,设计了一种具有强抗干扰能力的晶闸管调压器。调压器采用新型的系统级芯片SoC类型单片机C8051F360作为主控芯片,该单片机片内资源非常丰富,再配以复杂可编程逻辑芯片EPM7032等组成数字触发控制装置。该设计具有系统简洁,具有软硬件协同加密的特点。

1 锁相环工作原理

CMOS锁相环由3个基本单元构成：相位比较器，电压控制振荡器和低通滤波器[1，3-4]。集成电路CC4046锁相环包含了相位比较器和电压控制振荡器两个单元，使用时外接低通滤波器可构成完整的锁相环，即PLL系统。CC4046的管脚排列如图1所示,PLL功能框图如图2所示。电路中COMPIN、SIGIN为相位比较器输入端；Qcomp-I、Qcomp-II相位比较器输出端；VCOIN为压控振荡器输入端；Qvco为压控振荡器输出端；INH为禁止端，当INH为“1”电平时，禁止Qvco输出；DZ为内部提供的稳压管的负极；Cl(⑥脚和⑦脚)为压控振荡器外接振荡电容端；Rl、R2(11脚和12脚)端则为压控振荡器外接电阻端。

图1 CC4046引脚图图2 压控振荡器电路

CC4046的内部结构如图3所示。其相位比较器信号输入端(SIGIN)可以直接输入CMOS逻辑电平(“O"≤(VDD-VSS)30%，“l”≥(VDD-VSS)70%)。对于较小幅度的输入信号，则必须经电容耦合输入。

相位比较器I是一个异或门，为了使锁定范围最大，信号输入端(SIGIN)和比较器输入端(COMPIN)的输入信号必须是5O%占空比。当无信号或噪声信号输入时，异或门输出平均电压等于VDD/2，经低通滤波器(R3和C2)后送到VCOIN端(见CC4046逻辑图)，使VCO在中心频率(f0)上起振。

锁相环由起始的失锁状态到最终的锁定状态所允许的输入信号频率范围定义为频率捕捉范围(2fC)；锁相环始终处于锁定状态所允许的输入信号频率范围定义为频率锁定范围(2fL)，fC≤fL。

图3 CC4046内部结构及应用电路

相位比较器I的特点：一是能锁定接近VCO中心频率的谐波的输入频率；二是两个输入信号的相位差在0°～180°之间，在中心频率处相位差为90°。图4示出相位比较器I的这种相位和输出电压的特性及锁定在中心频率时相位比较器I的输出波形。

(a) 输出电压特性 (b)相位比较器(在中心频率时的输出波形)图4相位比较器I输出特性和波形图

相位比较器II是一个边沿控制的数据存储网络，它由4个触发器、控制门和三态输出电路组成。由于输入信号仅在上升沿时起作用，所以对输入信号占空比无限制。当SIGIN端输入频率高于COMPIN端输入频率时，低通滤波器输出电压上升；反之，当COMPIN端输入频率较高时，滤波器输出电压下降；当两个输入信号的频率和相位都相等时，输出端为高阻状态，滤波器输出电压保持不变，同时QP输出为“1”，表示处于锁定状态。若无外信号输入时，比较器II使VCO处予最低振荡频率[2]。图5示出相位比较器II的输出波形。

图5 相位比较器II输出波形图

2 锁相环产生同步脉冲信号

图6给出了鉴相电路原理框图。

图6 鉴相电路原理图

整形电路把18 V同步、交流电压信号V1变成方波V2，鉴相器为90°鉴相，其实是一个异或门电路，当输入信号V2和V3电平相同时其输出V4为低，当V2与V3电平不同时其输出为高。鉴相后得到100 Hz的方波电压，其高电平，宽度与V2、V3相位有关，V4经过低通滤波后变成波形平直的直流电压(含有一定的纹波)V5，V5即作为压控振荡器的控制电压，压控振荡器的输出f0为一系列高频脉冲，其频率与控制电压V5成正比，分频电路把f0变成大约50 Hz的方波电压V3送给鉴相器。此电路又称为锁相倍频脉冲发生器，目的是为单片机提供上述的基本数字控制脉冲，其锁相同步原理可表述如下：设f0的频率为系统电网频率的n倍，经n分频器除n后得到和系统频率相同的方波电压V3，V3与系统电压经整形后的方波V2一起送入鉴相器，调节压控振荡器的阻容参数，可以调节V3恰好滞后V2为90°，这时处于良好的锁定状态，波形如图7所示。f0正好是电网频率的n倍，假如电网的频率上升(f增加)即V2周期减小，由鉴相器输出波形分析可知V4的高电平宽度增加，从而引起低通滤波后的直流控制电压V5上升，结果压控振荡器的频率f0也将增加，f0仍增大到等于系统频率的n倍为止，反之，假设电网频率下降，则V2周期加长，波形V4的高电平宽度将变窄，从而引起V5降低，f0也减小，仍然等于系统电网频率的n倍，这样f0始终与系统电网保持固定的倍频关系，故又称锁相倍频脉冲发生器。若选择分频器的分频数n=720，则f0的每个脉冲周期恰好等于电角度0.5度，在对可控硅进行相位控制时，即以此脉冲做为计量延迟触发角的计数脉冲，可以实现比模拟式触发更精确的数字控制。本装置为了适应二进制计数，选n=768，这样可控硅的触发角精度可以控制在0.5度电角度以内。

图7 鉴相电路对应点波形图

3 单片机控制三相交流调压系统

单片机控制系统以C8051F360单片机作为主控制器，C8051F360无需外接程序存贮器，它内含32 KB Flash程序存储器、1 KB的RAM，17个I/O口、16通道10bit的ADC、1通道10 bit的DAC及温度检测等功能部件。从调节器来的模拟控制量直接送入到C8051F360的ADC转换单元，转换完成的数字量直接在单片机中处理，大大简化了电路，提高了系统的可靠性，降低了成本[5]。图8给出了单片机控制三相交流调压电源装置系统图。