模拟/数字锁相环的工作原理及simulink仿真锁相环PLL

锁相环在19世纪30年代起应用于通信和电子学,随着技术发展扩展至雷达、导航和计算机领域。文章介绍了模拟锁相环的工作原理,通过鉴相器、比例器和环路滤波器实现相位同步。数字锁相环因其优势逐渐替代模拟,包含数字鉴相器、计数器和分频器,用于精确调整输出信号的频率和相位。在电力电子仿真中,锁相环用于获取自然换向角以确定触发角。

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        在19世纪30年代,锁相环开始广泛应用在通信和电子学领域中,随着电力电子技 术 的发展,锁相环开始向雷达、导航设备、计算机等高新尖领域发展。现代数字处理器的精度 的提高以及智能化控制,锁相环也从模拟锁相控制向数字锁相控制过渡。

模拟锁相环的工作原理

       模拟锁相环是应用模拟器件搭建的输入输出锁相回路,它的结构框图如图所示。输入信号 为Uin,其频率为fin ,输出信号为Uout,其频率为fout,Ud为输入信号与输出信号的误差电压信号,Uc为控制电压信号 。

       当锁相环路有输入信号Uin时,输入信号和输出信号同时输入鉴相器进行鉴相比较,得到两种信号的相位差,通过一个比例器对相位差进行线性处理,把相位差转换成电压误差信号Ud,再经过环路滤波器,滤除误差信号中的高频成分,得到控制信号Uc,Uc进入压控振荡器改变振荡器的电压,相应的输出电压的频率和相位都发生变化,不断减小两种信号之间的频率差,最后fout = fin,实现两种信号的锁相工作。

数字锁相环的工作原理

       由于模拟锁相环存在器件饱和、零点漂移、对离散值的处理困难等缺点,数字锁相环越来越多的应用在电子电路中。数字锁相环的结构框图如图所示,它由数字鉴相器、K计数器、脉冲加减计数器和N分频组成。在图中,e 为输入信号与输出信号的相位差,carry 是进位脉冲信号,borrow 是借位脉冲信号,Kclk为K计数器的脉冲时钟信号,IDclk 为加减计数器的脉冲时钟信号,Kclk 和IDclk 是同一个时钟信号。

       通过数字鉴相器,比较计算输入信号相位和输出信号相位之差,根据相位差的值产生K计数器的方向控制信号,控制 K 计数器进行加计数和减计数。当K计数器进行加计数时,计数值达到设定的最大值时,输出进位脉冲信号,当K计数器进行减计数时计数器达到0时,输出借位脉冲信号。加减计数电路中有进位或者借位信号时,输出加减计数控制信号,再经过N分频电路,调整输出信号的频率、相位,实现输出信号和输入信号的相位同步。

个人理解,电力电子仿真中,触发角是按照自然换向角计算的,而自然换向角要通过锁相环获取。因此,我们需要用到锁相环。简单来说锁相环的作用:提供输入信号的频率和相位。

### 如何在Simulink模拟锁相环PLL设计与仿真 #### 创建新的Simulink项目 启动MATLAB并打开一个新的Simulink模型窗口。这可以通过命令行输入`simulink`来实现。 #### 添加必要的模块库 从Simulink Library Browser中拖拽以下组件至新建的模型界面: - **Sine Wave Generator**: 用于生成正弦波作为PLL的输入信号。 - **Phase-Locked Loop (PLL)**: 来自Power System Toolbox中的PLL模块,该模块能够处理单相或多相电压源,并提取其频率和相位信息[^1]。 ```matlab % 打开Library Browser并搜索PLL模块 open_system('powerlib') ``` #### 配置PLL参数 双击PLL模块进入配置面板,在这里可以调整诸如滤波器带宽、比例积分控制器增益等重要参数以适应特定应用场景的需求。对于电力电子应用而言,通常需要精确跟踪电网电压的变化,因此建议适当减小带宽以便更好地跟随缓慢变化的信号[^3]。 #### 连接电路元件 将上述提到的各种功能块按逻辑顺序连接起来形成完整的闭环控制系统结构图。具体来说就是把Sine Wave Generator的输出端接到PLL模块的输入端口;同时还要记得添加Scope或其他可视化工具用来实时监测内部变量随时间演变的情况。 #### 设置仿真环境 设定仿真的终止时间和步长大小,确保这些数值合理从而既不会因为过短而错过重要的瞬态过程也不会由于太长造成不必要的计算资源浪费。一般情况下,默认设置即可满足大多数初学者的学习目的。 #### 启动仿真运行测试 保存当前文件后点击界面上方的“Run”按钮开始执行整个流程直至结束。期间可通过观察示波器上的曲线了解系统响应特性以及验证所选设计方案的有效性和稳定性。
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