fpga_asic-一种基于fpga实现的全数字锁相环new

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1、《电子技术应用》www.ChinaAET.com自动化与仪器仪表一种基于!"#$实现的全数字锁相环庞浩!王赞基!清华大学电机工程与应用电子技术系"北京+;;;>F#摘要!锁相环被广泛应用于电力系统的测量和控制中"介绍了一种新型的基于比例积分控制逻辑的全数字锁相环"通过对其数学模型的分析!阐述了该锁相环的各项性能指标与设计参数的关系!并由此提出了具体的设计方法!同时提供了一个基于2134/56788软件和./01器件完成的设计实例"仿真和实测结果表明了该锁相环设计方法的正确性和易实现性!也验证了该锁相环

2、的良好性能"关键词!同步采样同步控制锁相环./01同步技术在电力系统的测量和控制中起着非常重要相位控制的作用!基于同步采样和整周期截断的离散傅立叶算法可被锁信号误差信号环路信号可控同步倍频鉴相器!"#滤波器振荡器信号!’()以提高谐波或纹波的分析准确度!有些电力系统设备需要重构信号实现同步控制"如电机同步调速#换流器的同步触发等!!$%%!倍为了实现同步测量和控制"可以采用锁相环技术!分频器锁相环的基本结构是由鉴相器#环路滤波#可控振图&锁相环的基本结构荡器和!倍分频器组成的一个反馈环路"如图&所示!

3、器*@-!被锁脉冲信号!"#和本地重构信号!$%%输入该鉴相锁相环具有三个重要的性能指标$锁相范围#锁相速度器后"首先在时钟信号(%A+的控制下借助锁存器和上升和稳定性!在已有的一些数字锁相系统中"设计参数不沿判断逻辑分别获得上升沿判断脉冲信号"+和"?!然能实现这三个性能指标的解耦控制和分析"使性能要求后"+和"?经过具有锁存反馈的鉴相状态转移逻辑产相互制约"无法依据电力系统中的具体需要进行设计!生两个相位误差信号B$和C)DE!相位误差信号B$和这里"针对电力系统中的低频信号同步问题设计了一种新型

4、全数字锁相环*+!,-"它采用了具有比例积分特性的C)DE利用其负脉冲信号的出现反映两个输入脉冲信号!"#和!$%%的频率高低!而且负脉冲的宽度可以反映!"#控制逻辑代替传统的数字环路滤波方法!由于该锁相环和!$%%之间的相位差!该鉴相器易于在可编程逻辑器件充分利用了鉴相脉冲所包含的相位误差信息"所以大大提中实现"避免了毛刺信号的产生!高了锁相性能!理论分析表明"该锁相环的性能指标能够!"#可控振荡器与其设计参数对应起来"从而简化了设计过程!本文将介为了提高输出信号的频率控制精度"减小锁相环输绍该锁相

5、环的原理及其在./01器件中的实现过程!基于出信号的相位抖动"选择利用小数分频方法实现的数字2134/56788软件的仿真结果和基于9/+:+;;<=,;>芯控制振荡器*?-!如果分频控制参数#具有$位的小数部片的实验波形验证了该锁相环的性能!分"则其实现结构如图@所示!!实现结构!"$利用比例积分方法实现的锁相控制!"!鉴相器作为一个完整的数字锁相!"#上升沿环系统"鉴相器的选择对锁相被锁信号锁存器判断逻辑性能影响很大!传统的具有双!"#!"#%"+B$%B$鉴相状态*?-锁存器触发结构的鉴相器需要

6、依靠"?转移逻辑C)DE信号在器件和线路中的延时来C)DE%B?上升沿重构信号工作"而且在电路中会产生毛刺!$%%锁存器判断逻辑!$%%%脉冲"不便于在./01中实现!时钟为此"本文采用图?所示的基于(%A+图?基于状态转移时序逻辑的信号鉴相器状态转移时序逻辑的信号鉴相?>《电子技术应用》www.ChinaAET.com《电子技术应用》www.ChinaAET.com自动化与仪器仪表固定频率的该系统的阻尼系数"为(时钟信号!"#$*&&’6":&’)$!位$+.$&,%’!=低位数据"#求和数据可控计

7、数输出信号加法器进位标志分频器%&’(由式’$$和式’)$可知!如果在锁相系统的设计中确控制信号参数"定了参数,=***+*&’和%’!则自然频率!-将与被锁信高位数据"$号频率(%+,成正比!而阻尼系数"具有确定的数值!即"图)利用小数分频方法实现的数字控制振荡器与被锁信号状态无关%一方面!依据自动控制理论!二阶系统的阻尼系数"决定了系统达到稳定的响应形式%当本文中锁相环采用了比例积分控制逻辑3$4替代传统阻尼系数"固定时!自然频率决定了系统达到稳定的速锁相系统中的环路滤波!用以产生可控振荡器的输入

8、控度%由于本锁相系统在不同的被锁频点具有相同的阻尼制参数""该方法的实现原理框图如图2所示"系数!所以在被锁频点的局部范围内@锁相跟踪过程将以在利用比例积分方法实现锁相控制的原理框图中!相同的形式达到稳定%另一方面!由于自然频率!-与被锁鉴相器产生的相位误差信号/0和5(-.的负电平有效信号频率(%+,成正比!则说明本锁相环从在被锁信号频率信号分别被工作时钟1"*)调制成为一组减计数和增计附近发出锁定被锁信号的时刻开始!到锁相趋于稳定所需数脉冲序列"在比