鉴相器是相位比较装置，它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较，产生对应于相位差的误差电压。
鉴相器之后为环路滤波器，它的作用是滤除鉴相器的输出信号中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。
压控振荡器受滤波器输出的电压控制，使得压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频率差而锁定。
锁相环在开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的。由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必不断的变化,并超过2石，而鉴相器的特性是以相位差2万为周期的，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内摆动。在这种误差电压控制之下，压控振荡器的频率也就在相应的范围之内变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率上稳定下来。达到稳定之后，输入信号与压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。
目前，锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有许多专用集成电路，集成锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点：
(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此，不会产生系统误差到非谐振的其它频率之上；
(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电流波形的好坏，关系并不大； (3)输出功率相对较稳定，不会因为负载的变化而发生显著变化；
(4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统电路框图如图3-2所示。
图3.2超声波电源频率跟踪电路结构框图
由图3．2可知，超声波电源中锁相式频率自动跟踪系统由相位比较器、电
压比较器低通滤波器、压控振荡器、激励放大器，功率放大器、电流取样及电压
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取样等组成，是一个闭环系统，它利用了术级换能器上的电压和电流之问的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率，使之保持与振动系统机械谐振频率一致，本文中锁相式频率跟踪系统采用集成锁相环CD4046。
3. 2锁相环CD4046结构及其数学模型
3.2.1CD4046内部结构和外围器件选择
用集成锁相环CD4046来实现超声波电源逆变控制单元频率跟踪和相位锁定这两种源极跟随器、运算放大器和一个5V左右的齐纳二极管共六部分电路组成。鉴相器PDI 采用“异或一门结构，当两个输入端信号的电平状态相异时，输出端信号为高电平；反之，两个输人端电平状态相同时，输出为低电平。当两个输入端相位差??在0o~180o范围内变化时输出脉冲的占空比亦在改变。从鉴相器PDI的输入和输出信号的波形可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90度相移。
图3.3锁相环CD4046结构图
CD4046提供数字误差信号和相位脉冲(锁定信号)两种输出，当达到锁定时，在鉴相器PDII的两个输入信号之间保持oo相移。对鉴相器PDII而言，当14
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脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0’’；反之则输出为逻辑“1’’。如果两信号的频率相同而相位不同，当输入信号的相位滞后于比较信号时，鉴相器PDII输出为正脉冲，反之当输入信号相位超前比较信号时，则输出为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度的负脉冲产生。从鉴相器PDII输出的正、负脉冲宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，鉴相器PDII的输出为高阻态，则l脚输出为高电平。由此可见，从l脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。
综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号从14脚输入后，经放大器AI进行放从3脚输入的比较信号与输入信号作相位比较，从相位比较器输出的误差电压则反映出两者的相位差。误差电压经环路滤波器后得到一控制电压加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率，使其迅速逼近输出信号频率。VCO的输出又经除法器再进入鉴相器PDI，继续与输入信号进行相位比较，最后使得VCO的输出振荡频率与输入信号频率相同，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关拨至13脚，则鉴相器PDII工作，过程与上述相同。 一般情况下，CD4046工作时需要接外围元器件CI、尺I和惑，它们决定了压控振荡器VCO的中心频率石。在图3-3中，若只外接电阻Rl，不接恐，当输入电压为零时，VCO输出最低频率，其值为零；当输入电压为％D时，VCO则输出最高频率，其值为： fmax?1 3. 1
R1(C1?32pF) 上式中RI应在lO陋至1MQ之间选取。如果对VCO输入频率范围有要求，则需要同时使用外接电阻Rl和恐，当输入电压为零时，VCO输出最低频率： fmin?1 3. 2
R2(C1?32pF)输入电压为％D时，VCO输出最高频率： fmax?11? 3. 3
R1(C1?32)R2(C1?32) 用电位器微调Rl和尺2的值，就可以得到所需频率的设计范围。CD4046的外围部件选择下述范围为宜： R1?10M?
VDD?5V,C1?100pF 3. 4
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VDD?10V,C1?50pF
3.2.2 CD4046的数学模型及性能分析
因为鉴相器PDI会锁定在压控振荡器的谐波上，所以这里我们选用鉴相器PDII LPF和VCO的传递函数，H似表示反馈通道的传 设GI(s)，62(J)，63(s)分别表示PDII递函数，那么在图3．1中锁相环的开环传函表示为：
GP(s)=GI(s)·G2(s)。G3(s) 3. 5 鉴相器PDII的传递函数可写为：
V G(S)?DD?Kd 3. 6
2?式中，肠是鉴相器的增益，鉴相器的输出信号和相位误差的变化范围分别为
0~VDD和 0~V?
压控振荡器VCO的传递函数为： G3(S)?K0 (K0是VCO的增益) 3. 7 S环路滤波器常用的有RC积分滤波器、无源比例积分型以及有源比例积分型滤波器，本文选用RC滞后型积分滤波器，
设反馈传递函数H(s)=I／N,锁相环的开环传递函数和闭环传递函数分别为：
G2(S)?KdKo 3. 8
S(TS?1) ?(S)?其传递函数为：
Gp(S)1?GP(S)H(S)?KdKoN 3. 9 2NTS?NS?KdKo G2(S)?1 3.10 TS?1 其中NT>O，N>O，KdKo>o，根据劳斯——赫尔维茨判据可以知道，该系统稳定。误差传递函数：
NTS2?NS E(S)? 3.11 2NTS?NS?KdKo 接下来分析稳态误差，当输入是幅值为A0的相位阶跃时，则输入信号的拉氏变换为：
?1(s)?根据终值定理可得：
?? 3.12 S 19
s?e(s)?0 3.13 ?(s)?lims?0当输入为频率阶跃时，设其幅值为△国，此时其输入相位为61(t)=tA07，其拉氏变换为：
?1(s)?根据终值定理可得：
?e?limS?e(S)?s?0?? 3.14 2SN?? 3.15 KdKo 超声波电源中换能器参数变化很慢，一般只存在相位阶跃和频率阶跃两种情况，通常KdKo远大于??，所以采用滞后性LPF的稳态误差很小，系统稳定。
3．3死区宽度对逆变器性能的影响
3．3．I死区处于不同位置时对逆变器性能的影响
对串联型高频超声波电源，为了避免上下桥臂直通短路，在两路驱动信号之间需留有一定的死区时间，死区时间的位置和大小跟器件的开关损耗、逆变器运行性能以及负等效参数密切相关。
对于图2．5所示的串联谐振逆变器，首先分析一下死区处于不同位置时对逆变器性能的影响。图34示出了串联谐振逆变器开关管死区位置，图中正弦波波槽路电流，矩形波为驱动信号。
（a）
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