集成鎖相環(huán)CD4046在電力參數(shù)測試儀中的應(yīng)用

1、自動化技術(shù)與應(yīng)用2010年第29卷第4期 96 | T echniques of Automation & Applications經(jīng)驗交流Technical Communications集成鎖相環(huán)CD4046在電力參數(shù)測試儀中的應(yīng)用劉隆華,黃洪全(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004摘要:介紹了集成鎖相環(huán)CD4046的工作原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu),給出了CD4046在電力參數(shù)測試中的具體應(yīng)用實例,并給出了實際測量的參數(shù)和鎖相頻率穩(wěn)定范圍。關(guān)鍵詞:鎖相環(huán)(PLL;CD4046;鎖相倍頻;電力參數(shù)中圖分類號:TM930文獻標(biāo)志碼:B文章編號: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引言國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945-19951電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差規(guī)定電力系統(tǒng)正常頻率偏差標(biāo)準(zhǔn)為0.2Hz,當(dāng)系統(tǒng)

4、容量較小時,可放寬到0.5Hz。這就要求電力參數(shù)測試儀必須實時跟蹤電網(wǎng)頻率。本設(shè)計采用了性能較好的集成鎖相環(huán)C D 4046,可以滿足電力參數(shù)分析的周期采樣需要。2鎖相環(huán)電路的構(gòu)成鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC、壓控振蕩器(VCO、低通濾波器三部分組成23,如圖1所示。收稿日期:2009-11-12圖1鎖相環(huán)電路構(gòu)成框圖壓控振蕩器的輸出U o 接至相位比較器的一個輸入端,其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓U d 大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號U i 與來自壓控振蕩器的輸出信號Uo 相比較,比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓U 正比于U i 和U o 兩個信號的相位差,

5、經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后,得到一個平均值電壓U d 。這個平均值電壓U d 朝著減小V C O 輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化,直至V C O 輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同,兩相位差保持恒定(即同步稱作相位鎖定。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時,它還具有“捕捉”信號的能力,VCO 可在某一范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化,如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化,鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率,并強迫V C O 鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活,如果輸入信號頻率f 1不等于VCO 輸出信號頻率f 2,而要求兩者保持一定的關(guān)系,例如比例關(guān)系或差值關(guān)系,則可以在外部加入一個運算器,以

6、滿自動化技術(shù)與應(yīng)用2010年第29卷第4期 Techniques of Automation & Applications | 97經(jīng)驗交流Technical Communications足不同工作的需要。3集成鎖相環(huán)CD4046的介紹CD4046是通用的CMOS 鎖相環(huán)集成電路45,如圖2是它的引腳排列,其特點是:(1電源電壓范圍寬(為3V-18V;(2輸入阻抗高(約100M;(3動態(tài)功耗小,在中心頻率f 0為10kHz 下功耗僅為600W ;(4最高工作頻率為1.2MHz.各引腳功能如下:1腳相位輸出端,環(huán)路入鎖時為高電平,環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較器的輸出端。3腳比較信號輸入端。4

7、腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端,高電平時禁止,低電平時允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端,用于F M 解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。圖3是C D 4046內(nèi)部原理框圖,包含2個相位比較器、1個壓控振蕩器、輸入信號源極跟隨器和穩(wěn)壓管,比較器有2個共同輸入信號端(3腳和14腳,一般14腳為外部信號輸入端,3腳為相位比較器反饋信號輸入端。相位比較器是異或門,使用時要求輸入信號的占空比為50%,產(chǎn)生1個數(shù)字信號(2腳,并在外部輸入信號與相位比較器反饋

8、輸入信號之間的中心頻率處維持圖2CD4046引腳圖圖3CD4046內(nèi)部原理框圖90相移。相位比較器由邏輯門控制的4個邊沿觸發(fā)器和3態(tài)輸出電路組成,不要求輸入信號的占空比為50%,產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(13腳和相位脈沖輸出(1腳,并在外部輸入信號與相位比較器反饋輸入信號之間保持嚴(yán)格同步,產(chǎn)生0相移。線性VCO 產(chǎn)生1個輸出信號,其振蕩頻率不僅與R 1(決定VCO 振蕩頻率、R 2(控制VCO 偏移頻率、C 1(VCO 外部定時電容的阻值有關(guān),而且還和電源電壓有關(guān)。并且輸出范圍為fminfmax,滿足以下公式6min 211(32f R C pF =+(1max min 111(32f f R C p

9、F =+(2當(dāng)R 2為時,鎖定頻率范圍7可由下式求得:max min 32(12c f f f R C (3對于V C O 參數(shù)選擇可以采用理論的計算方法,但是理論值往往不能直接應(yīng)用于實踐當(dāng)中,這里用了查表法。如果不用R 2的補償(R 2為,R 1、C 1與VCO 中心頻率f 0的關(guān)系8如圖4。98 | T echniques of Automation & Applications4CD4046在電力參數(shù)測試中的應(yīng)用910在對電力信號進行分析和處理時,必須要解決的兩個問題是頻譜泄漏和頻譜混疊,對于頻譜混疊,可以設(shè)置適當(dāng)?shù)目够殳B濾波器,并且適當(dāng)選擇一個周波的采樣點數(shù)進行抑制;對于頻譜泄漏,只要

10、保證窗口函數(shù)的寬度為基波周期的整數(shù)倍;就可以避免泄漏效應(yīng)的產(chǎn)生。主要有兩種方法:一是采用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)來降低泄漏效應(yīng)的影響,但是,這種方法同時也增加了計算量。對于大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理而言是不合適的;二是設(shè)計有效的頻率跟 蹤電路,使采樣頻率實時跟蹤信號的基波頻率,這也是較 實用、有效的解決辦法。也就是根據(jù)采樣時的基波頻率來確定采樣間隔, 從而從根本上解決頻譜泄漏效應(yīng)。 對于電力信號來說,不光信號成分復(fù)雜、幅度可變, 而且基波頻率也不是恒定不變的。如果按照固定的基波 頻率為 50Hz 來確定采樣率,就必然產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)。 實現(xiàn)頻率跟蹤的方法一般分為軟件和硬件兩種。其中軟件方法即根據(jù)采集到的電網(wǎng)頻率,

11、用軟件修正采樣頻率, 這種方法要增加軟件的開銷, 在實時性和連續(xù)性方面都 有缺陷。從硬件上實現(xiàn)的采樣頻率對電網(wǎng)頻率實時跟蹤圖4R 1 、C 1 與f 0的關(guān)系圖圖5CD4046鎖相倍頻電路的方法,避免了軟件開銷,則用鎖相倍頻技術(shù)。鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)CD4O46和計數(shù)器74LS393構(gòu)成,電路如圖5所示,從過零比較電路輸出的方波信號經(jīng)CD4046得到倍頻信號,CD4046鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率由R 1、C 1確定,調(diào)整在128x50Hz 附近。再經(jīng)74LS393的128分頻后和原信號比較,當(dāng)環(huán)路鎖定時,74LS393可以輸出一個和鎖相環(huán)輸入的電網(wǎng)頻率相等的信號;同時在74LS393輸入

12、端(即VCOUT 輸出得到倍頻輸出信號,作為A D 轉(zhuǎn)換同步驅(qū)動信號。4.1參數(shù)選擇及測試要128倍頻,由查表法可得:12110K, 3.3nF R R C =,但是實際上當(dāng)調(diào)節(jié)1 3.67K R =時,V C O U T 的輸出頻率約為6.4KHz 。環(huán)路濾波的設(shè)計:環(huán)路濾波器的重要任務(wù)就是濾除比較器輸出比較頻率中的寄生成分。若環(huán)路濾波器的截止頻率很高,則濾除比較頻率中寄生成分的能力就會降低。但是另一方面,環(huán)路濾波器的截止頻率越高,P L L 電路的鎖相時間,即輸入頻率發(fā)生變化到整定V C O 輸出的時間就可以越快。那么,加快鎖相時間與比較頻率中寄生成分的衰減是種折中關(guān)系。如圖6濾波器時間常

13、數(shù)32R C =(即截止頻率的設(shè)定在CD4O46倍頻電路中就是設(shè)計的關(guān)鍵。由于輸入頻率為50H z ,即T =20m s 。那么,濾波器時間常數(shù)應(yīng)10T ,這里選定323291K, 3.3F,=300ms R C R C =。測試結(jié)果:鎖相頻率的范圍0137.58Hz,最佳范圍40. 0262.53Hz;把 1312R R C C 、的值帶入公式(2、(3求出的頻率偏移值147.2Hz c f =與實際測試的鎖相頻率穩(wěn)定范圍相符。5結(jié)束語此頻率跟蹤電路中的核心部分是一個數(shù)字鎖相環(huán)電路。由于鎖相環(huán)穩(wěn)定性極好,精度高、范圍廣,因此,圖6環(huán)路濾波器(下轉(zhuǎn)第106頁106 | T echniques

14、of Automation & Applications作者簡介:周嗣理(1984-,男,碩士研究生,研究方向:電能質(zhì)量分析與控制,測控技術(shù)與信息系統(tǒng)。個CLK 上升沿之前變?yōu)楦唠娖?否則移入的數(shù)據(jù)將丟失。系統(tǒng)初始化后,只需編程發(fā)送16位數(shù)據(jù)包,就能簡單地操作L E D 的位選以及段選,設(shè)置和改變M A X 7219的工作模式。4.4串口通信子程序R S 422串口在進行通信之前首先要對U S A R T 進行初始化。初始化過程通常包括波特率的設(shè)定,幀結(jié)構(gòu)的設(shè)定,以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。對于中斷驅(qū)動的U S A R T 操作,在初始化時首先要清零全局中斷標(biāo)志位5。U S A R T 發(fā)

15、送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I /O 地址,稱為U S A R T 數(shù)據(jù)寄存器或U D R 。將數(shù)據(jù)寫入U D R 時實際操作的是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器存器(TXB,讀UDR 時實際返回的是接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器(RXB的內(nèi)容。通信子程序采用中斷方式接受和發(fā)送數(shù)據(jù),只要對U D R 寄存器進行讀寫操作,每讀完或者寫完一個字節(jié),系統(tǒng)都將產(chǎn)生一個相應(yīng)的中斷,從而實現(xiàn)對控制信號的快速響應(yīng),使通信穩(wěn)定可靠。5結(jié)束語文章所述系統(tǒng)已經(jīng)完成實驗室樣機調(diào)試,本系統(tǒng)(上接第98頁不僅實現(xiàn)了鏡頭位置與攝像機的光圈變倍聚集的調(diào)節(jié),還可通過強光LED 顯示各調(diào)節(jié)狀態(tài),監(jiān)測鏡頭內(nèi)部的溫度濕度,具有友好的人機交互功

16、能,其多種控制方式降低了系統(tǒng)安裝調(diào)試的難度,提高了監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程度。參考文獻:1徐正權(quán).采用單片機控制的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)J.湖南電力,2001,(4:23-25.2王黎明,夏立,邵英,閆曉玲.CAN 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社.2008,(3.3張廣溢,郭前崗.電機學(xué)M.重慶:重慶大學(xué)出版社M.2002,(2.4高玉芹.基于AVR 單片機和DS18B20的多點溫度測量系統(tǒng)J.儀表技術(shù),2005,(3:15-17.5周興華.AVR 單片機C 語言高級程序設(shè)計M.北京:中國電力出版社.2008.作者簡介:劉隆華(1985-,男,在讀碩士研究生,研究方向:控制理論與控制工程。用此頻率跟蹤電路實現(xiàn)的頻率跟蹤誤差非常小,準(zhǔn)確度非常高。同時,由于器件技術(shù)的發(fā)展,基本的數(shù)字鎖相環(huán)電路價格也很低,因此用硬件實現(xiàn)的頻率跟蹤方式成本并不高。參考文獻:1李世林,劉軍成.電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊M.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007:36-44.2王福昌,魯昆生.鎖相技術(shù)M.武漢:華中科技大學(xué)出版社,1997.3(日遠(yuǎn)坂俊昭著,何希才譯.鎖相環(huán)(PLL電路設(shè)計與應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社,2006.4王福昌.集成鎖相環(huán)CD4046性能分析J.無線電工程,1992,22