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锁相环电路的设计及相位噪声分析
ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐＣｉｒｃｕｉｔａｎｄ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ
（申请硕士学位）
学科专业：邀电王堂皇固笠电王堂
研究生：奎垃
指导教师：圭睦堑塑援
天津大学电子信息工程学院
二零零五年一月中文摘要
本论文设计了一个电荷泵锁相环电路，研究了其相位噪声特性并对该锁相环
进行了详细的模拟。该锁相环主要用于Ｍｃｕ中的时钟产生模块，其输出的时钟
信号占空比为５０％，频率为１２８ＭＨｚ，最高频率可以达到１９２ＭＨｚ，可以满足在
高速ＭＣＵ系列集成电路的要求。
设计中采用了自顶向下的方法，对电荷泵锁相环电路从系统级开始研究，逐
步过渡到晶体管级的模块的设计。首先，应用Ｍａｔｌａｂ数学工具以及ＶｅｒｉｌｏｇＡ语
言建立了锁相环系统的数学模型和行为级模型，对环路参数进行了优化。其次，在确定了模块的指标后，对每一个模块进行了详细的设计与模拟，包括基准源，
相位频率探测器（ＰＦＤ），电荷泵（ＣｈａｒｇｅＰｕｍｐ），低通滤波器（ＬＰＦ），电压控制振荡器（ＶＣＯ）和分频器（Ｄｉｖｉｄｅｒ）。然后，将模块组合成为系统后，分析了
系统在不同的工艺、温度和电源电压下的工作情况，从模拟结果可以看出，各个
模块以及整体锁相环电路的设计均达到了设计要求。最后，完成了版图的绘制与
验证工作并已交付Ｆｏｕｎｄｒｙ进行流片。另一方面，本论文还对ＶＣＯ以及锁相环系统相位噪声的基本理论进行了深
入的研究，利用Ｈａｊｉｍｉｒｉ提出的ＶＣＯ的相位噪声模型进行了预测，并与模拟结
果进行了对比分析，此外还应用了周期性小信号的分析方法对锁相环系统的相位
噪声进行了模拟与分析。
本论文的研究成果对于锁相环电路中的模块级设计与系统级设计，尤其是相
位噪声的分析与模拟均有很好的指导意义和参考价值。
关键词：
时钟产生锁相环电荷泵压控振荡器相位噪声ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａＣｈａｒｇｅＰｕｍｐＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）
多旋转坐标变换式锁相环的建模及设计
马添翼;程光耀;翟乃军;张淼;刘忠俊
【摘 要】In order to exactly detect the voltage under grid fault conditon,
the multiple rotating coordinate transformation Phase Locked Loop
control ( PLL) method is proposed. Based on the Park transformation rule,
the relationship of fundamental signal and harmonic signal is analyzed,
and a decoupling controller is involved in traditional PLL model, the
multiple rotating coordinate transformation PLL control model is also built
up. The multiple rotating coordinate transformation PLL state equation is
also calculated, the key parameter of dynamic per-formance is obtained.
The result shows that the multiple rotating coordinate transformation PLL
can exactly detect the voltage fundamental and harmonics under grid fault
condition.%为了实现电网故障条件下电压的准确检测，提出了多旋转坐标变换式锁相环测量方法。基于Park变换原则，对旋转坐系中基波信号与谐波信号的关系进行了分析，并在传统锁相环的控制模型中加入解耦控制环节，同时，建立了多旋转坐标变换式锁相环控制模型。对多旋转坐标变换式锁相环系统进行了状态建模并对其进行求解，从而得到了影响锁相环系统动态性能的关键参数。结果表明，多旋转坐标变换式锁相环可精准测量电网电压在故障条件下的基波及各次谐波分量。
２０２２．０６?４１ 基于广义二阶积分的数字锁相环设计与实现王 鹏（国网江苏省电力有限公司扬州市江都区供电分公司）摘 要：电力系统１１０ｋＶ三相供电，为了保证供电网的电源品质，必须对供电网电流进行锁相控制，以保证输入电流相位与电网电压相位的同步性。本文提出一种基于广义二阶积分器的数字锁相环，在旋转坐标系下得到电网电压的相位信息，利用现有的广义二阶积分器构造出与电网电压正交的网压，再进行坐标变换。文中对同步坐标系下的单相锁相环的锁相原理及数学模型进行推导，经过仿真验证，本文提出基于广义二阶积分器的数字锁相环能够对电网相位进行快速、精确的锁定，具有较好的控制性能，具备进行大规模推广应用的价值。关键词：广义二阶积分器；数字锁相环；电网相位０ 引言由于电网电压非常容易受到外部干扰及电压谐波的影响，在单相四象限整流器工作的时候，四象限输入电流和电网电压的相位一旦存在一定程度的差异，则会对电网造成冲击和污染。锁相环控制技术是网侧变流器控制的一项关键技术，单相四象限整流器就是一种网侧变流器，锁相环控制技术通过检测电网电压信号的特性，保证四象限输入电流信号的相位始终对电网电压信号的相位进行跟踪，实现二者的同步。对于单相四象限整流器来说，最为常规的锁相方法是电网电压的过零点检测，电网电压过零点的锁相方法虽然简单实用，但其缺点同样明显，由于是通过硬件电路对电网电压的过零点信号进行捕获，因此非常容易受到电压谐波和网压突变的影响，并且锁相环的调节速度也比较慢，每个过零点信号到来的时候才会进行相位的重新调节，一旦在过零点之间发生相位变化，控制软件无法实时检测到，会造成控制失效。１ 广义二阶积分器原理基于Ｐａｒｋ变换的锁相环采用闭环调节，动态性能好，抗干扰能力强，响应速度快，在三相系统中有非常广泛的应用。在三相系统中，能够在同一时刻采集三相电网电压信号，这三相电网电压信号包括相位、幅值、频率信息，通过Ｃｌａｒｋ变换和Ｐａｒｋ变换能够很容易提取到相位信息，在同步坐标系下，ｄ轴是幅值信号，ｑ轴是相位信号，再通过相应的调节、计算，就能够得到最终可用的相位信号。在单相系统中，同一时刻只能够采集到一个电网电压信号，由于自由度的缺失，因此不容易直接从电网电压信号中提取到相位信息，需要先构造出正交向量对，再进行Ｐａｒｋ变换。本文所提出的控制策略通过广义二阶积分器来构造正交向相对。该策略通过合理设计参数，就能够不依赖电网电压信号的频率而产生无振荡的正交信号，从而实现电网电压相位的高精度锁定。基于广义二阶积分器的锁相控制策略基本上不会受到电网电压信号突变的影响，在保证基波信号精测精度以及锁相精度的前提下，具有良好的动态响应过程。在单相四象限整流器控制中，由于只有一个自由度，不能够直接进行Ｐａｒｋ变换，因此需要构造出一个虚拟的电网电压信号，这个虚拟信号与实际的电网电压信号共同构成一对正交信号，再经过Ｐａｒｋ变换，进而提取到电网电压的相位信息。广义二阶积分器在产生正交信号对的时候，还能够对电网电压信号进行滤波处理，从而使得锁相环的精度更高，如图１所示为广义二阶积分器的结构，其中ｕα和ｕβ分别是输入信号和与其对应的正交信号，ｕＳ为电网电压信号。图１ 广义二阶积分器结构图电气技术与经济／研究与开发
第２８卷第０５期 ２０１１年１０月 华东交通大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 、ｂ１．２８ Ｎｏ．０５ ０ｃｔ．．２０ｌ１
文章编号：１００５—０５２３（２０１１）０５．００１４．０４
三相不平衡时的ＰＷＭ整流器锁相环设计
章勇高，高彦丽，刘焕，龙立中
（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）
摘要：获取电网相位是三相ＰＷＭ整流器运行和控制的前提。软件锁相环具有设计方便、适应性强的优点，能够快速获取电 网电压不平衡时的相位。分析三相电压不平衡时电网相位关系，讨论基于瞬时无功理论的软件锁相环设计原理和二次椭圆 型陷波器的设计。建立了软件锁相环的ＭＡＴＬＡＢ仿真模型和三相ＰＷＭ整流器的实验装置，仿真和实验结果证明具有二次 陷波器的软件锁相环的有效性。对于其它电力电子装置的锁相环设计具有借鉴价值。 关键词：软件锁相环；电压不平衡；二次陷波器；三相ＰＷＭ整流器 中图分类号：ＴＮ７１３．４ 文献标志码：Ａ
三相ＰＷＭ整流器广泛应用于电力传输及传动系统中。它能够灵活地控制网侧功率因数，实现能量双 向传输的功能。通常情况下，均假设三相电网电压平衡，然而各种原因造成的电压不平衡却时有发生，会
在直流电压中产生谐波，降低供电质量，并向电网注入谐波电流，造成电网污染ｎ。 。
目前大多数解决方法都是在控制策略上滤除不平衡时负序分量的影响，本文提出直接在获取电网信
息的锁相环中消除负序分量的作用。锁相环有两种：硬件锁相环和软件锁相环。硬件锁相环通过锁相环
芯片对某相电压跟踪比较，输出与其频率相等相位差恒定的信号，实现锁相。该方法具有简单易行的优 点，但在三相电压不平衡时，由一相电压获取三相相位信息将大大影响锁相精度。软件锁相环具有在线修
改控制算法，不必改动硬件电路的优点 。
软件锁相环的设计方法主要有 。 ：过零比较法、最小二乘法和瞬时无功理论法。过零比较锁相环与传
