鎖相倍頻電路的實現

有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種動態抑制諧波和補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，它的穩定性對有源電力濾波器快速響應起到了關鍵的作用。供電系統的信號頻率隨負載的變化在較大的范圍內變化，為實現準確的信號采樣，DSP必須準確的知道當前信號的頻率，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定的輸出12.8kHz的方波，是整個檢測模塊在開機后能否在最短時間內開始工作的關鍵。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頻率反饋系統，它主要由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和累加計數器構成。

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系的電路，它是鎖相環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字鑒相器兩種。

鑒相器的輸出信號包含很多的諧波分量，當鎖相環處于鎖定狀態時，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關系的振蕩電路VCO（Voltage-controlled Oscillator），在自動頻率控制環路和鎖相環環路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環路中的一個受控部件。

在APF的檢測系統中，鎖相倍頻電路的輸出作為啟動AD采樣的信號，分頻器將VCO產生的輸出信號頻率除以N，這個因子多數情況下可變或可編程控制，分頻器通常由觸發器（如RS觸發器、JK觸發器或是T觸發器）級聯而成，一個JK觸發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，使用了二進制加法計數器CD4040，即其累加數均為2的倍數，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，原邊與副邊匝數比為 2500：1000，所以在將A相電網電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要通過一個限流電阻進行限流，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，然后再進入一個與非門CD4093，對輸出信號進行整形，將信號變成高電平為5V，低電平為0V的標準的方波，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