集成锁相环CD4046在电力参数测试仪中的应用

1、自动化技术与应用2010年第29卷第4期 96 | T echniques of Automation & Applications经验交流Technical Communications集成锁相环CD4046在电力参数测试仪中的应用刘隆华,黄洪全(广西大学电气工程学院,广西南宁530004摘要:介绍了集成锁相环CD4046的工作原理及其内部结构,给出了CD4046在电力参数测试中的具体应用实例,并给出了实际测量的参数和锁相频率稳定范围。关键词:锁相环(PLL;CD4046;锁相倍频;电力参数中图分类号:TM930文献标志码:B文章编号:1003-7241(201004-0096-04Appl

2、ication of Phase-Locked Loop Integrated Circuit CD4046 in Power Parameter T esterLIU Long-hua, HUANG Hong-quan( Electrical Engineering Department, GuangxiUniversity, Nanning 530004 China Abstract: The working principle of the Phase-Locked Loop circuit CD4046 and its structure are introduced in this

3、paper. Anapplication example in power parameter test, the actual measurement of the parameters and phase-locked frequency stability range are given.Key words: phase-locked Loop; CD4046; phase-locked frequency multiplication; power parameter1引言国家标准GB/T15945-19951电能质量电力系统频率允许偏差规定电力系统正常频率偏差标准为0.2Hz,当系统

4、容量较小时,可放宽到0.5Hz。这就要求电力参数测试仪必须实时跟踪电网频率。本设计采用了性能较好的集成锁相环C D 4046,可以满足电力参数分析的周期采样需要。2锁相环电路的构成锁相环主要由相位比较器(PC、压控振荡器(VCO、低通滤波器三部分组成23,如图1所示。收稿日期:2009-11-12图1锁相环电路构成框图压控振荡器的输出U o 接至相位比较器的一个输入端,其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压U d 大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号U i 与来自压控振荡器的输出信号Uo 相比较,比较结果产生的误差输出电压U 正比于U i 和U o 两个信号的相位差,

5、经过低通滤波器滤除高频分量后,得到一个平均值电压U d 。这个平均值电压U d 朝着减小V C O 输出频率和输入频率之差的方向变化,直至V C O 输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同,两相位差保持恒定(即同步称作相位锁定。当锁相环入锁时,它还具有“捕捉”信号的能力,VCO 可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化,如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化,锁相环能捕捉到输人信号频率,并强迫V C O 锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活,如果输入信号频率f 1不等于VCO 输出信号频率f 2,而要求两者保持一定的关系,例如比例关系或差值关系,则可以在外部加入一个运算器,以

6、满自动化技术与应用2010年第29卷第4期 Techniques of Automation & Applications | 97经验交流Technical Communications足不同工作的需要。3集成锁相环CD4046的介绍CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路45,如图2是它的引脚排列,其特点是:(1电源电压范围宽(为3V-18V;(2输入阻抗高(约100M;(3动态功耗小,在中心频率f 0为10kHz 下功耗仅为600W ;(4最高工作频率为1.2MHz.各引脚功能如下:1脚相位输出端,环路入锁时为高电平,环路失锁时为低电平。2脚相位比较器的输出端。3脚比较信号输入端。4

7、脚压控振荡器输出端。5脚禁止端,高电平时禁止,低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端,用于F M 解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。图3是C D 4046内部原理框图,包含2个相位比较器、1个压控振荡器、输入信号源极跟随器和稳压管,比较器有2个共同输入信号端(3脚和14脚,一般14脚为外部信号输入端,3脚为相位比较器反馈信号输入端。相位比较器是异或门,使用时要求输入信号的占空比为50%,产生1个数字信号(2脚,并在外部输入信号与相位比较器反馈

8、输入信号之间的中心频率处维持图2CD4046引脚图图3CD4046内部原理框图90相移。相位比较器由逻辑门控制的4个边沿触发器和3态输出电路组成,不要求输入信号的占空比为50%,产生数字误差信号(13脚和相位脉冲输出(1脚,并在外部输入信号与相位比较器反馈输入信号之间保持严格同步,产生0相移。线性VCO 产生1个输出信号,其振荡频率不仅与R 1(决定VCO 振荡频率、R 2(控制VCO 偏移频率、C 1(VCO 外部定时电容的阻值有关,而且还和电源电压有关。并且输出范围为fminfmax,满足以下公式6min 211(32f R C pF =+(1max min 111(32f f R C p

9、F =+(2当R 2为时,锁定频率范围7可由下式求得:max min 32(12c f f f R C (3对于V C O 参数选择可以采用理论的计算方法,但是理论值往往不能直接应用于实践当中,这里用了查表法。如果不用R 2的补偿(R 2为,R 1、C 1与VCO 中心频率f 0的关系8如图4。98 | T echniques of Automation & Applications4CD4046在电力参数测试中的应用910在对电力信号进行分析和处理时,必须要解决的两个问题是频谱泄漏和频谱混叠,对于频谱混叠,可以设置适当的抗混叠滤波器,并且适当选择一个周波的采样点数进行抑制;对于频谱泄漏,只要

10、保证窗口函数的宽度为基波周期的整数倍;就可以避免泄漏效应的产生。主要有两种方法:一是采用适当的窗函数来降低泄漏效应的影响,但是,这种方法同时也增加了计算量。对于大数据量的数据处理而言是不合适的;二是设计有效的频率跟 踪电路,使采样频率实时跟踪信号的基波频率,这也是较 实用、有效的解决办法。也就是根据采样时的基波频率来确定采样间隔, 从而从根本上解决频谱泄漏效应。 对于电力信号来说,不光信号成分复杂、幅度可变, 而且基波频率也不是恒定不变的。如果按照固定的基波 频率为 50Hz 来确定采样率,就必然产生频谱泄漏效应。 实现频率跟踪的方法一般分为软件和硬件两种。其中软件方法即根据采集到的电网频率,

11、用软件修正采样频率, 这种方法要增加软件的开销, 在实时性和连续性方面都 有缺陷。从硬件上实现的采样频率对电网频率实时跟踪图4R 1 、C 1 与f 0的关系图图5CD4046锁相倍频电路的方法,避免了软件开销,则用锁相倍频技术。锁相倍频电路由锁相环CD4O46和计数器74LS393构成,电路如图5所示,从过零比较电路输出的方波信号经CD4046得到倍频信号,CD4046锁相环内部压控振荡器的中心频率由R 1、C 1确定,调整在128x50Hz 附近。再经74LS393的128分频后和原信号比较,当环路锁定时,74LS393可以输出一个和锁相环输入的电网频率相等的信号;同时在74LS393输入

12、端(即VCOUT 输出得到倍频输出信号,作为A D 转换同步驱动信号。4.1参数选择及测试要128倍频,由查表法可得:12110K, 3.3nF R R C =,但是实际上当调节1 3.67K R =时,V C O U T 的输出频率约为6.4KHz 。环路滤波的设计:环路滤波器的重要任务就是滤除比较器输出比较频率中的寄生成分。若环路滤波器的截止频率很高,则滤除比较频率中寄生成分的能力就会降低。但是另一方面,环路滤波器的截止频率越高,P L L 电路的锁相时间,即输入频率发生变化到整定V C O 输出的时间就可以越快。那么,加快锁相时间与比较频率中寄生成分的衰减是种折中关系。如图6滤波器时间常

13、数32R C =(即截止频率的设定在CD4O46倍频电路中就是设计的关键。由于输入频率为50H z ,即T =20m s 。那么,滤波器时间常数应10T ,这里选定323291K, 3.3F,=300ms R C R C =。测试结果:锁相频率的范围0137.58Hz,最佳范围40. 0262.53Hz;把 1312R R C C 、的值带入公式(2、(3求出的频率偏移值147.2Hz c f =与实际测试的锁相频率稳定范围相符。5结束语此频率跟踪电路中的核心部分是一个数字锁相环电路。由于锁相环稳定性极好,精度高、范围广,因此,图6环路滤波器(下转第106页106 | T echniques

14、of Automation & Applications作者简介:周嗣理(1984-,男,硕士研究生,研究方向:电能质量分析与控制,测控技术与信息系统。个CLK 上升沿之前变为高电平,否则移入的数据将丢失。系统初始化后,只需编程发送16位数据包,就能简单地操作L E D 的位选以及段选,设置和改变M A X 7219的工作模式。4.4串口通信子程序R S 422串口在进行通信之前首先要对U S A R T 进行初始化。初始化过程通常包括波特率的设定,帧结构的设定,以及根据需要使能接收器或发送器。对于中断驱动的U S A R T 操作,在初始化时首先要清零全局中断标志位5。U S A R T 发

15、送数据缓冲寄存器和接收数据缓冲寄存器共享相同的I /O 地址,称为U S A R T 数据寄存器或U D R 。将数据写入U D R 时实际操作的是发送数据缓冲器存器(TXB,读UDR 时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB的内容。通信子程序采用中断方式接受和发送数据,只要对U D R 寄存器进行读写操作,每读完或者写完一个字节,系统都将产生一个相应的中断,从而实现对控制信号的快速响应,使通信稳定可靠。5结束语文章所述系统已经完成实验室样机调试,本系统(上接第98页不仅实现了镜头位置与摄像机的光圈变倍聚集的调节,还可通过强光LED 显示各调节状态,监测镜头内部的温度湿度,具有友好的人机交互功

16、能,其多种控制方式降低了系统安装调试的难度,提高了监控系统的自动化程度。参考文献:1徐正权.采用单片机控制的工业电视监控系统J.湖南电力,2001,(4:23-25.2王黎明,夏立,邵英,闫晓玲.CAN 现场总线系统的设计与应用M.电子工业出版社.2008,(3.3张广溢,郭前岗.电机学M.重庆:重庆大学出版社M.2002,(2.4高玉芹.基于AVR 单片机和DS18B20的多点温度测量系统J.仪表技术,2005,(3:15-17.5周兴华.AVR 单片机C 语言高级程序设计M.北京:中国电力出版社.2008.作者简介:刘隆华(1985-,男,在读硕士研究生,研究方向:控制理论与控制工程。用此频率跟踪电路实现的频率跟踪误差非常小,准确度非常高。同时,由于器件技术的发展,基本的数字锁相环电路价格也很低,因此用硬件实现的频率跟踪方式成本并不高。参考文献:1李世林,刘军成.电能质量国家标准应用手册M.北京:中国标准出版社,2007:36-44.2王福昌,鲁昆生.锁相技术M.武汉:华中科技大学出版社,1997.3(日远坂俊昭著,何希才译.锁相环(PLL电路设计与应用M.北京:科学出版社,2006.4王福昌.集成锁相环CD4046性能分析J.无线电工程,1992,22