CN1968019A - 一种用于市电精确检测的全数字锁相环路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到对市电的相位进行精确检测的一种全数字锁相环路，其特征在于它由数字鉴相器，数字环路滤波器，数字直接频率合成(DDS)方式的数字控制振荡器(DCO)构成；采用了全数字的环路结构以及高的采样时钟，恢复出来的信号与市电相位正交，频率相同，且具有小于10us的抖动，可以在大范围内实现零频率误差和零相位的信号跟踪，能有效地为电力线载波通信、市电频率检测等提供性能优良的检测结果。

Description

一种用于市电精确检测的全数字锁相环路
技术领域
本发明涉及一种用于市电精确检测的全数字锁相环路，其具有完成输入数字信号与数控振荡器输出信号的相位比较的数字鉴相器，完成鉴相输出信号的低通滤波并生成数字控制信号的数字环路滤波器以及产生数字正弦波的数字控制振荡器。
背景技术
在多种应用领域(例如市电频率监测、相控整流、以及电力线载波通信中的市电相位检测)，需要对电力线的相位/频率进行检测。
通常的市电相位/频率检测均采用过零点检测法，即通过一个比较器检测出市电的过零点，然后通过计算过零点之间的时间间隔得到市电的周期和频率。这种方法具有检测速度快，简单可靠的优点。但由于电力线上存在着大量的噪声和干扰，会对过零点出现的时间造成一定的影响，从而造成这种简单的过零点检测方法并不能得到高精度的检测结果。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点，本发明所提出的检测方法是在过零点检测器之后加入一个高精度的全数字锁相环路，能够提供精确度极高的检测性能。
本发明的特征在于该锁相环路由数字鉴相器，数字环路滤波器和数字控制振荡器所构成，并采用基于全数字算法的锁相环来跟踪输入的标称50Hz或者60Hz市电信号(检测范围为43Hz～74Hz)，
附图说明：
图1为锁相环原理结构框图
图2为数字锁相环结构框图
图3为锁相环实现结构图
图4为环路滤波器结构图
具体实施方式
从图1的锁相环原理结构框图可见，鉴相器101比较外部输入信号与压控振荡器103输出信号的相位，环路滤波器102实现低通滤波，产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，最终达到与输入信号同频同相。
从图2的数字锁相环的结构框图可见，输入信号一般为经过AD采样后的数字信号，数字鉴相器111完成外部输入数字信号和数控振荡器113输出信号的相位比较(一般为具有乘法特性的部件实现)，数字环路滤波器112实现低通滤波，产生误差控制信号来调整数控振荡器输出信号的频率，使其与输入信号相差为零。
本发明的数字锁相环的具体实现结构如附图3所示。首先由一个比较器对市电取样得到的模拟信号进行整形，将市电信号由一个有失真的正弦波转化成方波信号，并经过时钟信号采样得到1比特的数字信号。由于需要跟踪的输入信号为1bit数字信号，数字控制振荡器的输出也是方波(也可用1比特信号表示)，故鉴相器122所需要实现的乘法操作仅仅需要1bite乘以1比特，从而这里的鉴相器可简化为个异或门。环路滤波器123由一个1阶环路构成，对鉴相器输出的误差信号作如下运算如图4所示的运算。通过配置一个初值19’d128159就可以实现不同频率市电的锁相功能，这个初值对应初始输出频率为55Hz，最终输出到DDS结构的相位累加器(数控振荡器)124的控制信号为Lf_out/4+19’d128159，这种结构可以更简单的实现50Hz或者60Hz市电的锁相功能，不需要分别配置50Hz和60Hz初始频率字。这种结构的锁相环初始锁定时间较长，具体数值由系统时钟以及DDS的精度确定，而在系统实际使用中对初始锁定时间并没有特别高的要求，故可以采用这种结构。DDS结构的相位累加器使用一个31比特的累加器实现，具体实现中时钟频率为921.6kHz，累加器输出最高位即为最终的输出信号，其相位与输入信号正交(相差90度)。沿检测电路121检测输入信号的上升沿和下降沿，环路滤波器的累加器环节受沿控制，第一个累加器在沿变化时赋初值，在两个沿之间累加，第二个累加器在沿变化时累加。
图4为环路滤波器具体实现结构图。该环路滤波器采用1阶环路实现，共包括3个部分，鉴相器输出输入到一个积分器132和一个比例环节131，131和132的输出经过一定加权后输入到一个加法器133，加法器的输出即为环路滤波器的输出。
这个锁相环的精度由DDS位宽和系统时钟决定，实际系统中时钟频率为921.6kHz，故频率分辨率为921.6k/2^31＝0.43*10^-3Hz，可以满足系统设计要求。
由于采用全数字的方式，设计调试均可以通过软件实现，故极大的降低了成本，同时可以避免采用模拟锁相环所带来的器件一致性问题。

Claims (4)

1、一种全数字锁相环路，其特征在于包括数字鉴相器，数字环路滤波器和数字控制振荡器；其中数字鉴相器完成输入数字信号与数控振荡器输出信号的相位比较；数字环路滤波器完成鉴相输出信号的低通滤波，生成数字控制信号；数字控制振荡器产生数字正弦波。
2、根据权利要求1所述的全数字锁相环路，其特征在于该数字环路滤波器是一个采用全数字方式实现的滤波器，包括比例部分和积分部分，其中比例部分和积分部分按照一定的加权值合并在一起。
3、根据权利要求书1所述的全数字锁相环路，其特征在于该数字控制振荡器的输入为一个控制数据，一个高频的时钟信号；而其输出为一个方波信号，频率和整个锁相环路的输入信号频率一致，相位和输入信号正交。
4、根据权利要求书3所述的数字控制振荡器，其特征在于该数字控制振荡器包含一个数字直接频率合成(DDS)结构，采用一个高精度的相位累加器对输入信号进行累加运算，利用累加器的最高位(MSB)作为最终的输出信号。
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