基于鎖相環與雙AD7865的交流采樣技術及其應用

2 工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實現
交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種，系統采用同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期T與采樣時間間隔△t及一周內采樣點數N之間滿足關系式T=N△t，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。根據提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。本系統采用硬件同步采樣。
硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用鎖相環頻率跟蹤原理實現同步等間隔采樣的電路如圖1所示。

在相位比較器PD、低通濾波器LP、壓控振蕩器VCO構成的鎖相環內加入N分頻器，輸入fi為被測信號的頻率，作為鎖相環的基準頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經N分頻后與fi相比較，根據鎖相環工作原理，鎖定時fo／N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環的實時跟蹤性，當被測信號頻率fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足fo=Nfi的關系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(N)倍。用該輸出去控制采樣／保持器，并啟動A／D轉換，這樣就可以使N個采樣點均勻分布在被測電網信號的一個整周波內，消除了同步誤差，實現了無相位差的同步采樣。鎖相環相位鎖定時，壓控振蕩器VCO能在一定范圍內自動跟蹤輸入信號的頻率變化，在頻率有畸變的情況下也能確保數據的同步采樣，保證測量精度。
系統中的頻率跟蹤電路由專用鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040組成，以實現工頻信號的鎖相倍頻，分頻比為1／64。在工頻信號恰好為50 Hz的情況下，該電路的鎖相倍頻頻率為50×64=3 200 Hz，相當于一個工頻周期內有64個采樣脈沖，頻率跟蹤鎖相電路接線圖如圖2所示。

由圖2可看出，工頻方波信號由AIN輸入，經過倍頻的方波信號由VCOUT輸出去觸發A／D芯片。