基于FPGA的超声波电源数字锁相环电路设计

车保川

摘 要：针对超声波电源的负载存在频率漂移这一特性，阐述了一种基于FPGA的数字锁相环频率自动跟踪系统的设计原理及方法。利用XILINX公司生产的SPARTAN-3 FPGA控制芯片对各模块进行了软件仿真，并且把各模块整合到超声波电源系统中进行了实验验证。实验结果表明，该超声波电源具有电路简单、频率跟踪性能好等特点。

关键词：FPGA；数字锁相环；频率跟踪；超声波电源

超声波电源在实际工作过程中，会因温度变化、负载变化、工具磨损等因素，使负载的固有频率发生变化。为了提高工作效率，应使使超声波电源工作在谐振状态，即超声波电源的输出频率能够跟负载固有频率一致。在传统的实现方案中，主要采用CD4046、74HC4046等集成芯片构成的模拟电路对负载电流进行频率跟踪。但是，这些芯片，存在着频率跟踪范围窄、可靠性差、功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制，能消除温漂，有利于参数整定和参数调节，通过软件程序的改变，方便地调整控制方案，同时可减少元器件数目、简化硬件结构。此外还可实行运行数据的自动储存和故障自动诊断，有利于实现电力电子装置运行的智能化。

本文采用了一种基于FPGA的数字锁相环的实现方法，来对超声波电源进行频率跟踪。

1 数字锁相环（DPLL）原理

所谓数字锁相环路（DPLL）就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）、数控振荡器（DCO）构成的锁相环路，它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相。

2 数字锁相环的实现

在FPGA器件内实现全数字锁相环用途极广，可以基于FPGA器件把全数字锁相环路作为一个功能模块嵌入FPGA器件中构成片内锁相环。本文设计的锁相电路，能够使锁相环快速进入锁定状态，在最短时间内正常工作并且提高输出频率的质量。

全数字锁相环路的结构框图如图4所示。其中数字鉴相器由异或门构成，数控振荡器由加/减脉冲控制器和除N计数器组成。可逆计数器和加/减脉冲控制器的时钟频率分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路的中心频率，一般情况下M=2N，且M和N为2的整数幂。

2.1 鉴相器的设计

异或门鉴相器用于比较输入信号中u1的相位φ1与数控振荡器输出信号u2的相位φ21差，其输出信号ud的相位φe，作为可逆计数器的计数方向控制信号。当中 为低电平时（φ1和φ2有同极性时），可逆计数器作/加计数；反之，当φe为高电平时，可逆计数器作减计数。

2.2 数字环路滤波器的设计

数字环路滤波器是由变模可逆计数器构成的，该计数器设计为一个17位可编程（可变模数）可逆计数器，计数范围由外部置数DCBA控制。假设系统工作无相位差，由锁相环原理知，φ1和φ2的相位差为0，异或门鉴相器输出是一个对称的方波，因此可逆计数器在相同的时间间隔内进行加或减计数，只要K足够大，那么从零开始的计数就不会溢出或不够。进位和借位脉冲可用来控制加/减脉冲控制器，使得其输出的脉冲数根据进位和借位来加上或者减去一些脉冲。实际上也就改变了加/减脉冲控制器的输出频率。

K模可逆计数器的输出表达式为：

2.3 数控振荡器的设计

数控振荡器由加/减脉冲控制器和除N计数器组成的。加减电路的输出表达式为

加/减脉冲控制器其实是一个增量/减量计数器。它和环路滤波器连用，如果在环路滤波器无进位或借位的时候，加/减脉冲控制器对时钟2Nfc进行二分频。当加/减脉冲控制的输入端输入一个进位脉冲时，输出脉冲中通过该计数器内部加上一个时钟脉冲；反之，当加/减脉冲控制的输入端输入一个借位脉冲时，输出脉冲中就减去一个时钟脉冲。因此通过借位和进位脉冲可以使输出频率得到改变，输出频率能被进位和借位脉冲的最高频率控制在一个给定的范围内。

2.4 仿真结果与分析

把以上各模块整合成一个系统即本系统的全数字锁相环电路。取K=16，在（0～100us）时间段内进行仿真。clk信号频率为l0MHz，（c1k即2Nfc）；取u1信号频率为50KHz

当锁相环输入信号u1，频率发生变化时锁相环输出信号u2在几个信号周期内即可实现对u1的跟踪锁定。

锁相环当中的鉴相器与数控振荡器选定后，锁相环的性能很大程度依赖于数字环路滤波器的参数设置。环路滤波器采用了K模计数器。其功能就是对相位误差序列计数即滤波，并输出相应的进位脉冲或是借位脉冲，来调整数控振荡器输出信号的相位（或频率），从而实现相位控制和锁定。K模计数器作为滤波器有效地滤除了噪声对环路的干扰作用。

模K愈大，环路进入锁定状态的时间越长，K取得过大，对抑制噪声减少相位抖动有利，但是同时又加大了环路进入锁定状态的时间。反之，K取得过小，可以加速环路的锁定，而对噪声的抑制能力却随之降低。所以在此选取K=16。当输入信号频率在100KHz～l0KHz之间调节时，均可实现相位的锁定。

3 实验结果与结论

在此以3KW/25KHZ的超声波电源为实验对象。图2是频率跟踪后稳态的输出电压和电流波形。从图中可以看出频率跟踪后超声波电源工作在接近谐振状态，电压和电流的相位几乎同步，达到了很好的跟踪效果。结果表明用FPGA器件实现的数字锁相电路在超声波电源的应用中具有良好的表现。

[参考文献]

[1]黄洪彬.基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计[J].[电加工与模具].2013.3.

[2]王鸿麟，景占荣.通信基础电源[M].西安：西安电子科技大学出版社.2001.

[3]湖春华.数字锁相环路原理与应用[M].上海：上海科学技术出版社.1990.

[4]马庆强.基于可编程器件的高频感应加热电源的研究[D]：[硕士学位论文].济南：山东大学.2006.