鎖相倍頻電路的實現(xiàn)

有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置。鎖相倍頻電路是有源電力濾波器諧波檢測模塊的重要組成部分，它的穩(wěn)定性對有源電力濾波器快速響應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。供電系統(tǒng)的信號頻率隨負(fù)載的變化在較大的范圍內(nèi)變化，為實現(xiàn)準(zhǔn)確的信號采樣，DSP必須準(zhǔn)確的知道當(dāng)前信號的頻率，確保采樣頻率與信號頻率保持一致。鎖相倍頻電路就是將一個完整的周期等分成N份，作為DSP的采樣信號。

1 鎖相倍頻電路的原理

鎖相倍頻電路能否實時穩(wěn)定的輸出12.8kHz的方波，是整個檢測模塊在開機(jī)后能否在最短時間內(nèi)開始工作的關(guān)鍵。圖1所示為鎖相倍頻電路的原理框圖。

圖1 鎖相倍頻電路的原理框圖

由圖1可以看出，鎖相倍頻電路是一個閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)，它主要由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和累加計數(shù)器構(gòu)成。

鑒相器是使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關(guān)系的電路，它是鎖相環(huán)PLL（Phase Locked Loop）的基本部件之一，鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種。

鑒相器的輸出信號包含很多的諧波分量，當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，這些分量的第一項為“直流”分量，其它頻率的分量為不需要的信號，而且在鎖相倍頻電路的信號傳遞中，也會有高頻噪聲對信號產(chǎn)生干擾，這些較高頻率的分量也是不需要的信號，所以要用低通濾波器將其濾除。在此設(shè)計中，采用一階低通濾波器。

壓控振蕩器是輸出頻率與輸入電壓有對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路VCO（Voltage-controlled Oscillator），在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。

在APF的檢測系統(tǒng)中，鎖相倍頻電路的輸出作為啟動AD采樣的信號，分頻器將VCO產(chǎn)生的輸出信號頻率除以N，這個因子多數(shù)情況下可變或可編程控制，分頻器通常由觸發(fā)器（如RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或是T觸發(fā)器）級聯(lián)而成，一個JK觸發(fā)器可以將加到它的時鐘輸入端信號2分頻，兩個就是4分頻等。

在此電路中，使用了二進(jìn)制加法計數(shù)器CD4040，即其累加數(shù)均為2的倍數(shù)，如要得到256倍，即把輸出信號從其Q8腳輸出。

2 鎖相倍頻電路的設(shè)計

2.1 過零檢測電路

過零檢測電路原理圖如圖2所示。電路中采用宇波CHV-25P霍爾電壓傳感器，此霍爾電壓傳感器的額定電流為10mA，原邊與副邊匝數(shù)比為 2500：1000，所以在將A相電網(wǎng)電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要通過一個限流電阻進(jìn)行限流，以免電流過大將霍爾電壓傳感器燒壞，它的M端為副邊電流輸出端，需要加一支采樣電阻，將電阻上的壓降引入一個由運算放大器CA3140及四個電阻組成的滯回比較器，然后在其輸出端通過一個由兩個二極管組成的鉗位電路之后，將高低電平鎖定為5V和0V，然后再進(jìn)入一個與非門CD4093，對輸出信號進(jìn)行整形，將信號變成高電平為5V，低電平為0V的標(biāo)準(zhǔn)的方波，然后此方波會作為鎖相倍頻電路的輸入信號。

圖2 過零檢測電路原理圖