2 工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實現(xiàn)
交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種，系統(tǒng)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(nèi)采樣點數(shù)N之間滿足關(guān)系式T=N△t，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。根據(jù)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(tǒng)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(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用鎖相環(huán)頻率跟蹤原理實現(xiàn)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(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入N分頻器，輸入fi為被測信號的頻率，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經(jīng)N分頻后與fi相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時fo／N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環(huán)的實時跟蹤性，當(dāng)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(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù)(N)倍。用該輸出去控制采樣／保持器，并啟動A／D轉(zhuǎn)換，這樣就可以使N個采樣點均勻分布在被測電網(wǎng)信號的一個整周波內(nèi)，消除了同步誤差，實現(xiàn)了無相位差的同步采樣。鎖相環(huán)相位鎖定時，壓控振蕩器VCO能在一定范圍內(nèi)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(shù)據(jù)的同步采樣，保證測量精度。
系統(tǒng)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(xiàn)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(dāng)于一個工頻周期內(nèi)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(jīng)過倍頻的方波信號由VCOUT輸出去觸發(fā)A／D芯片。