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一个小PLLSSTC的制作
在做完前面的两个之后,我新作了一个,在两年之后,来张高清的图片?
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新做的SSTC
那么,什么是PLL呢?即使锁相环罢了(注意这里专指锁相环不指其它),PLL可以在一定范围之内跟上频率的变化。通过相位比较器,然后控制压控振荡器VCO的输出频率即可。
分类:CD4046的1脚输出问题特斯拉线圈简单原理
PLL原理浅谈 - CD4046
锁相环,前面简单的提到过了。那么详细点就没有吗?当然有!PLL用于闭环频率跟踪(注意:闭环,那么换句话说您拿CD4046做一个VCO振荡器就不是PLL了)。
词汇说明:
闭环,就是有了个反馈(比如特斯拉线圈上的磁环反馈,天线反馈等),这个反馈对输出(比如驱动功率桥的频率)有影响。
频率跟踪,就是追频。锁相环的追频范围通常是有限的,换句话说必须在这个频率范围之内,锁相环才能追上。
锁相环的原理当然是锁相,就是把相位跟上去,输入和输出的相位为0了,自然的输出频率就跟上输入的频率了。它可以大致的分为下面的几个部分:
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锁相环部分
那么,现在压控振荡器开始振荡了。这个时候有输入信号,PC(相位比较器,记住哦下次就用PC代替了)输出了相位差的信号。那么PC的输出的误差信号经过低通滤波器(下次提到用LPF代了,记住哦)输出的控制电压(其实就是去除高频部分(的信号)将会成正比关系,控制压控振荡器VCO(下次也用VCO代替)的振荡频率。下面,我们用看着头晕的字母来代替就是:
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当刚开始的时候,两个频率存在差值,用△f表示:
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之后,这个△f的值将会越来越小,或者说二者之间的相位差越来越小。当相位差变成0的时候,频率就追上了,从而实现了频率和相位的锁定。如上就是锁相环的基本原理了。下面我们看看实际应用。
下面,以CD4046为例,说下PLL在实际中的应用与计算。如下是CD4046的功能框图(节选自:国半数据手册)。虽然是英文版本的,但是这个不影响我后面慢慢的来解释。其实我还是很推荐亲们去看看英文资料哩,看不懂?百度翻译什么的不是有嘛。
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下面是CD4046的引脚说明
01: 相位比较器 II 的相位输出端,入锁为高电平(1)
02: 相位比较器 I 的输出端
03: 比较信号的输入端,内部接上了两个相位比较器的输入之一(2)
04: 压控振荡器输出
05: 压控振荡器的禁止端,高电平有效
06: 外接振荡电容的端口 1
07: 外接振荡电容的端口 2
08: 电源电压的负端(VSS)
09: 压控振荡器的控制端/输入端,输入经过LPF的PC输出信号
10: 用于调频信号的解调,TC上可不用管
11: 外接电阻R1端,和6,7脚电容以及12脚电阻决定振荡频率
12: 外接电阻R2端,和6,7脚电容以及11脚电阻决定振荡频率
13: 相位比较器 II 输出端
14: 被跟踪的信号输入端
15: 内部的稳压二极管的负极
16: 电源电压VCC端,3~18V直流
注释:
(1)关于1脚的问题请往下翻翻
(2)这个引脚可以和4脚也就是VCO输出直接相连。
回到那张图,左边的图可以看出CD4046有两个相位比较器。我们先讲相位比较器二(图中的PHASE COMPARATOR II,那么相位比较器一就是PHASE COMPARATOR I啦),原因是相位比较器II好使唤而且简单点。
相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高。而且还有两个输出,一个是相脉冲输出,也就是CD4046的1脚输出。还有一个是数字误差信号输出,也就是CD4046的13脚。
对于相位比较器Ⅱ而言,它总是在相位差为0的时候表示入锁,而且不对输入有要求。相位比较器I是一个异或门。当该比较器的两个输入相同时,便会表示入锁,这个比较器可以让入锁更快但是使用需要谨慎:它要求输入的信号占空比为50%,而且输入的信号相位差范围要在 0 - 180°,不然频率就会越跟越快,且需要与两个输入信号之间的中心频率保持90°的相位差。关于比较器I,可在数据手册中查到解释。
CD4046的VCO是压控RC型的振荡器,振荡频率和定时电容(4,5脚的电容)的充放电速度成正比关系。9脚的电压控制了这件事情,9脚电压越高,电容充电速度越快,频率越高,反之其然。
*关于1脚——入锁指示,迷惑过很多人
很多人都在书上看到过——CD4046,1脚入锁高电平。于是便想当然的认为CD4046的1脚没有入锁会变成低电平。我没说4046的1脚入锁不会输出高电平,但是没有入锁可就不一定是低电平了:1脚是相脉冲输出,从名字我们都可以想到,这货输出必定会有脉冲。我们来看看数据手册给的图吧:
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由上图可以看到,当输入和输出没有相位差(图中的II部分)时,1脚(图中最下面的那里)输出的确是高电平。当输入和输出有相位差时,1脚输出了脉冲(图中的I、III部分)。故可以明白,1脚输出的“低电平”其实是一段时间内电压的平均值而不是我们所理解的“低电平”。这个就是关于“1脚入锁指示”的解释,应该不意外吧?
摘要:
1.CD4046的1脚入锁会输出高电平,但是失锁不是输出低电平;
2.CD4046的1脚输出和相位比较器输入有关。
壹、TC串联谐振的“理论”
在特斯拉线圈中,总是有人把它理解为一个变压器。这实际上没有错。
我们知道,固态特斯拉线圈有“初级”和“次级”,但是我们不妨把初次级拆开来看,也就是下图所表示的那样
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仔细观察的话,您会发现和工业上的串联谐振耐压测试仪类似。是的没错,就是这样。在网络上还流传一张图片,画的比上面的图好看一点,它看起来像分体式TC一样。好了不谈题外话,我们来看看这个被拆分后的“模型”。
在它的下面,有一个类似变压器的互感线圈,这个被称作激励变压器。事实上一般的TC,不过是把这里面的激励变压器和“次级”连接在了一起——“次级”即当作了激励变压器的次级,又当作了谐振电抗器(就是上面那张图,变压器次级接的那个大绕组)事实上,特斯拉线圈的初级部分,包括功率桥、驱动等,都只是为这个谐振电抗器服务——提供一个合适频率的激励源。为了更好的了解这个过程,我又做了一张图:
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上面的图就反应出了TC的本质,从一般的TC,有初级的TC;然后初级变成激励变压器,再后来,甚至激励变压器也没有了,直接推“次级”。事实上,这里叫次级并不是一个规范的叫法,尤其是后两种。我们应该叫它:谐振电抗器。说好了哈,以下内容用谐振电抗器表示所谓的“次级”。
回到图片C,它表示了激励源直接激励谐振电抗器,实际上,这个就是特斯拉线圈的初次级本质。没明白过来?就是说,特斯拉线圈真正参与谐振的只是谐振电抗器,而不管结构是什么样,是一般的结构也好,是谐振电抗器配合激励变压器也好,甚至是直接激励也好,参与谐振的都只是谐振电抗器。哪怕是用了激励变压器,谐振频率依然是谐振电抗器的频率(注:其实是两个频率,当谐振变压器不理想也就是更加接近实际时,如果变压器的分布参数太严重依然会影响谐振电抗器频率。因此:激励变压器的自谐振频率应该大大于谐振电抗器的频率)
那么激励变压器/初级又是干什么的呢?
当然是提供激励的能量啦。
在上面的图中,图片A,图片B实际上都是经过了耦合的激励源——图片A中的初级就是图片B中的次级,而图片A中的谐振电抗器的一部分则是图片B中的激励变压器次级。所以实际上图片B只是把图片A给拆开了。在现实中,我们可以找到图片C的例子——利用中频发电机,激励谐振电抗器。这个就是直接激励的一个范例,有关于这种方法的视频,很多视频网站上的特高压视频就有,您可以自己去翻翻。
摘要:
1.对于分体式TC,应当把次级和谐振电抗器分开——有初级的那个是激励变压器,才有初级次级,没有初级的那个,叫谐振电抗器。
2.特斯拉线圈升压大部分依赖的不是匝数比;
3.特斯拉线圈的谐振频率只和谐振电抗器有关;
4.特斯拉线圈初级只是激励源的一部分
贰、特斯拉线圈次级简单选取
众所周知,特斯拉线圈的次级就是LCR串联谐振的频率。而且根据经验,Q值要在300左右,下面我们就来一起“算一算”这些数据。
那么,当然有一个串联谐振频率的公式啦,可能您已经很熟悉这个公式了,不过我们还是需要为不知道的亲们展示一下:
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三个公式中,第一个是角速度,第二个是角速度和频率的关系,正是由于这一点,才可以用角速度“表示”频率。第三个是由上面两个式子整合而来的。好了,不废话了,切入正题:Q值的计算。
Q值,就是谐振品质因素。它的计算如下:
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当然,这两个式子是一样的。Q值在谐振回路中,越高意味着加在谐振电容、谐振电抗两端的电压就越高。但是好事情绝对不会单独存在,Q值越高,在一定的频偏下电流下降得越快,其谐振曲线越尖锐。换句话说就是失去谐振更加的容易,频率通带变窄——这在驱动参数本来就不怎么棒的特斯拉线圈上可不是好事。但是存在一点:Q值大了失去谐振虽然容易了,但是抗干扰性更强了(特斯拉线圈可以忽略这一点)。所幸的是,前人为我们实践出了在特斯拉线圈上的谐振电抗器的Q值为300左右最佳的道理。因此,我们只需要让谐振电抗器的Q值在300左右即可
把上面的工作做完以后,我们就可以开始弄电路部分了。电路在此不过多言论,和一般的PLLSSTC电路几乎一样。
不过我的次级谐振频率是800KHz左右,那么对应的PLL中心频率也应该在这附近。按照“不怕死”的精神实验一番,PLL的参数为:6、7脚电容100pF,11脚电阻15K,12脚电阻20K,即可使用。需要注意的还是前面所提及的,这里面的1脚不是说不入锁就熄灭。最后来几张效果图吧!
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PLLSSTC单管,50V电源
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PLLSSTC单管,50V电源
上面的这个线圈是在直流50V下工作的,功率比较小,60W多一点。