基于７４ＨＣ４０４６新型频率跟踪电路的研究

摘 要：频率跟踪是超声波电源的一个重要特性。讨论了超声波清洗机中自动频率跟踪的必要性，在介绍超声波清洗机的主电路原理、PLL锁相环原理的基础上，利用单片机检测超声电源负载的电流、电压的相位差，从而改变74HC4046 的输出频率，完成了变步长频率跟踪软件设计。结果表明，该系统具有很好的频率跟踪性能。

关键词：超声波电源;锁相环;频率跟踪;74HC4046;变步长

中图分类号：TB553 文献标识码：A

文章编号：1004373X(2008)0318803

Study on New Frequency—tracking Circuit Based on 74HC4046

CHE Baochuan,QU Baida

(School of Communication and Control Engineering,Jiangnan University,Wuxi,214122,China)

Abstract：Frequency tracking is an important characteristic of ultrasonic power.In this paper,the necessity of frequency tracking in ultrasonic cleaning equipmens is discussed.Based on introduction on the principle of the mian circuit of the ultrasonic power supply for cleaning equipmens and the principle of PLL,the output frequency of 74HC4046 is changed by a single chip measuring the phase difference between volage and current.The software of adaptive tracking technique with varied frequency steps is completed.Fast and exact frequency tracking is realized.

Keywords：ultrasonic power;PLL;frequency—tracking;74HC4046;varied frequency steps

1 引 言

超声波清洗机在许多领域中得到了广泛的应用，尤其是在军事装备和各种电子、机械、光学设备中。超身波发生器是超声波清洗设备的重要组成部分，担负着向超声换能器提供超声频电能的任务。为了提高换能器的工作效率，不但要求发生器提供的电能有足够的功率，而且要求频率与换能器的谐振频率一致。但是，对于超声波清洗设备来说，除了换能器自身损耗发热外，清洗液温度也会传至换能器,清洗槽中液面高度的变化或被清洗物件的变化也是难以避免的,这些因素都会引起换能器谐振频率的漂移。如果不及时调整发生器的振荡频率，换能器的工作状态就会发生变化，轻则效率下降，重则停止振动。因此需要发生器具有自动调节频率的功能，即通常称为自动频率跟踪,简称频率跟踪。

目前常用的频率跟踪方法有:人工调节频率、声跟踪、电跟踪和锁相式频率自动跟踪。前三种实现方法都比较简单，但他们各自有明显的缺点：人工调节频率不能实现实时跟踪，频率的调节需要人工干预;电跟踪和声跟踪都是采用反馈的方式来实现频率跟踪，反馈信号的强度很难控制，常会因换能器参数的变化而变化。使用锁相环的频率跟踪方法使得电路简单跟踪性能得到很好的改善。最早开始使用CD4046锁相环，采用模拟控制,而数字锁相环的出现使得频率跟踪技术得到了更大的发展，但是在高频段，数字化显得力不从心，一般还只能采用模拟控制技术。由于CD4046速度上的局限性，故采用更高性能的74HC4046锁相环，另外，本文采用了变步长频率跟踪方法，保证了跟踪的速度和精度，提高了超声波清洗机的整机效果。

2 超声波清洗机电源系统的组成

2.1 系统框图

图1是超声波清洗机电源的系统设计框图。其工作原理是单相交流电经过控制整流和滤波，形成直流电，经全桥逆变器实现直流电压转换为与换能器谐振频率一致的交变电压，逆变输出正弦交变电流，再通过匹配网络，送至负载换能器。当逆变工作频率等于换能器工作频率时，换能器就可获得最大的输出功率。换能器是将超声波电源输出的电信号转化为机械能输出，完成清洗功能。

电流采样环节采样高频电流信号，利用霍尔传感器取得电流有效值信号，经过快速的A/D转换为数字信号送入单片机系统，单片机分析电流的有效值信号，通过D/A转换输出电压控制压控振荡器的振荡频率，通过驱动电路隔离驱动，使全桥逆变器的工作频率随负载的谐振频率变化而变化，从而实现自动跟踪的过程，使换能器工作于最佳状态。

图1 超声电源系统

2.2 逆变主电路

高频逆变电路是超声波清洗机的核心，他的组成形式和控制方法决定了清洗机的性能。在这里提出采用一种新形式的电路，如图2所示。

图2逆变主电路

他是根据电流增强原理[1]，在传统桥式逆变器的基础上加入一个简洁的辅助网络形成的移相控制全桥逆变换器。其中Q1 ，Q4构成超前桥臂，Q2 ，Q3 构成滞后桥臂，Lr是饱和电感，在开关管Q1 ，Q4开关过程中，他工作在线性状态，这样可防止开关管开关过程中原边电流向相反方向变化太快。开关管开关过程结束后，他立即进入饱和状态，原边电流很快上升到负电流，从而使占空比丢失大大减小，提高副边有效占空比。另外该电路还有一个优点就是可以在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关(ZVS)[2]。图中换能器负载通过匹配电感Lf组成LC串联谐振，谐振频率理想调谐在开关工作频率fs。但在实际匹配电路中，为了对功放电路有利，一般要稍调感性负载[3]。

3 控制电路

3.1 锁相环频率合成器的工作原理

PLL电路是将输入波形与VCO振荡器波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步的电路。如图3所示，VCO输出经分频后的信号与输入波形的相位进行比较时，输入频率与分频后的频率微同一频率，即VCO的振荡频率与分频后的频率同步。其中fout=fin×N，改变分频比N，就可以改变fout。

图3 锁相环频率合成器方框图

3.2 集成锁相环74HC4046及智能跟踪的硬件设计

在本系统中，PLL采用MC74HC4046N,单片机采用INTEL 180c196mc,可编程计数器采用8254提供3个独立的计数器，每个计数器采用二进制计数。通过检测负载电压、电流有效值信号，经快速的A/D转化为数字信号送入单片机，单片机分析电压、电流有效值信号之间的相位差，从而改变锁相环的分频系数N,达到改变锁相环输出频率的目的,经过硬件电路形成死区保护功率开关元件。

74HC4046 的内部结构如图4所示，他是由一个VCO和3种鉴相器构成，只要在外部增设分频器和环路滤波器R和C，就可以构成PLL频率合成器。3种鉴相器的工作原理各不相同，其中鉴相器PC1是异或门鉴相器，PC2是边沿触发器，PC3是一个R,S触发器门，其输出端分别为2,13,15。在3种鉴相器中，最常用的是PC2, PC1和PC3鉴相器不能进行频率比较，锁相范围较窄，而PC2可以进行频率比较，在VCO振荡频率的全部范围内进行锁相。根据74HC4046的工作频率范围选择外围电容、电阻的参数，即R1,R2和C1 。电阻R1和C1共同决定振荡器的中心频率。R2可以改变压控振荡器的自由振荡频率并改变振荡器的频率控制范围。

大量实验表明频率分辨率为4 Hz时的超声频率可以满足换能器的工作要求[4]。由于要求产生的超声频率范围是15～35 kHz,并且频率分辨率为4 Hz,所以3脚和4脚之间的分频系数应为3 750～8 750。参考74HC4046的数据手册，选择R1＝100 Ω，C1＝1 nF, R2悬空。脚13的输出信号经过一个由R3,C2构成的低通滤波器，最后送给压控振荡器的控制端(脚9)。

图4 74HC4046内部结构

3.3 智能跟踪系统的软件设计

在超声应用中，振动系统的谐振频率变化由瞬间频率变化和缓慢频率变化两部分组成。工具磨损和温度变化引起的谐振频率变化称为缓慢频率变化；负载的突变和系统刚度的变化引起的谐振频率变化称为瞬间频率变化。频率跟踪软件的作用是在应用中调节超声电源的频率，由于瞬间频率变化是时间的突变量，所以频率跟踪软件设计应满足迅速准确的频率跟踪。为此采用变步长频率跟踪法。

变步长频率跟踪是在频率跟踪的过程中根据具体情况随时改变搜索的步距。首先给定相位采样信号,设两个参考值L,K(L>K)。经过A/D转换后的相位差信号P>L,或PP>K,说明超声电源的频率工作在振子的谐振频率附近，采用小步距的调节方式，可以提高频率跟踪的精度，其步距能小至4 kHz,可以满足超声加工或超声清洗的要求。控制频率自动跟踪系统的软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图

4 结 语

锁相环74HC4046具有稳定频率、反应灵敏、低功耗等优点，取谐振频率为15～20 kHz超声波换能器实验，采用图2所示的电路拓扑，结合本文提出的智能控制电路方

案，调整电感Lr，可使调谐回路的工作频率稳定在15～25 kHz,并且实测电路的电流基本上是正弦波，开关和吸收电路、散热器均不发热。实验表明这种实时跟踪的信号控制IGBT的开关，以给压电振子提供超声电源，可使压电振子在清洗液中产生的空化气泡几乎不受外界因素影响。

参考文献

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作者简介 车保川 女，1985年出生，在读硕士研究生。主要从事智能超声波电源方面的研究。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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