一种优化的数字过零锁相方法
全数字锁相环设计研究
一、引言数字锁相环(DPLL)是一种相位反馈控制系统。
DPLL通常有三个组成模块：数字鉴相器(DPD)、数字环路滤波器(DLF)、数控振荡器(DCO)。
本文采用超前-滞后型数字锁相环(LL－DPLL)的设计方案，在LL－DPLL中，DLF用双向计数逻辑和比较逻辑实现，DCO采用加扣脉冲式数控振荡器。
这样设计出来的DPLL 具有结构简洁明快，参数调节方便，工作稳定可靠的优点。
二、数字锁相环的分类1.过零型数字锁相环路这种数字锁相环路采用过零采样数字鉴相器，即本地估算信号在输入信号的过零点上采样后进行A/D变换，得到数字相位误差信号输出。
2.触发器型数字锁相环路这类全数字锁相环路使用的数字鉴相器是触发器型数字鉴相器。
其特点是利用输入信号和本地估算信号的正向过零点对触发器进行触发，在触发器的置“ 0”和置“ 1” 的时间间隔内，得到相位误差信号。
置“ 0”和置“ 1”的时间间隔宽度就表征了输入信号和本地估算信号之间的相位误差大小。
3.超前-滞后型数字锁相环路这种数字锁相环路采用的鉴相器是超前-滞后型数字鉴相器。
超前-滞后型数字鉴相器在每一个周期内得到输入信号的相位比本地估算信号相位超前或滞后的信息。
因此，这种鉴相器的相位误差输出只有超前或滞后两种状态。
然后将误差相位的超前或滞后信息送到序列滤波器，产生对DCO的“ 加” 或“ 扣” 脉冲控制指令去改变DCO的时钟周期，使本地估算信号的相位输入信号相位靠拢。
4.奈奎斯特速率采样型数字锁相环路在这种数字锁相环路中，对输入信号的采样按照奈奎斯特速率进行。
也就是说，对输入信号进行A/D变换的采样频率必须按照奈奎斯特速率进行，以使输入信号能够依据奈奎斯特取样定理再现。
A/D变换后的输入信号与本地估算信号进行数字相乘，得到需要的相位误差数字信号，以完成鉴相功能。
三、系统设计本设计是基于直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer)原理的信号发生器，用硬件描述语言Verilog来编程，用Altera公司的开发平台QUARTUSⅡ6.0来仿真，最后下载到StratixⅡ系列的EP2S60器件中进行验证。
基于dq变换的锁相环设计与仿真
基于dq变换的锁相环设计与仿真何攀;席自强【摘要】针对一般锁相环在电网电压波动时存在锁相误差的问题,提出了一种基于dq变换的锁相环新方案,并对锁相环参数进行了整定.对于电网电压频率变化、相位变化以及谐波注入的影响,利用matlab进行了仿真分析.仿真结果表明,新方案有很好的跟踪效果,跟踪速度快,精度高,能较好实现相位锁定.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2017(032)005【总页数】3页(P93-95)【关键词】电压波动;dq变换;锁相环【作者】何攀;席自强【作者单位】湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心,湖北武汉430068;湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心,湖北武汉 430068【正文语种】中文【中图分类】TM464新能源技术的不断发展，使得越来越多的分布式电源接入电网中，能精确快速锁定电网电压的相位，对于需要并网运行的设备也变得越来越重要。
锁相主要分为硬件锁相和软件锁相两种，由于硬件锁相精确度不高，容易受到干扰，所以现在广泛采用软件锁相技术，数字处理器的大规模发展，也使得软件锁相技术更易于实现[1-4]。
传统的锁相环采用过零锁相的方法，但在电压存在畸变的情况下，锁相效果不太理想；电压不平衡的状态下，可以通过傅里叶变换将基波成分和谐波成分分别提取出来，但必须采集完整的周期数据，不能实时计算[5-7]。
因此，本文根据坐标变换的原理[8]，建立了三相电网电压在同步旋转坐标系下的系统模型，详细阐述了锁相环的结构及原理。
并通过仿真验证了锁相环在电压波动时的跟踪效果。
在三相电网电压平衡的情况下，三相电网电压全部为正序分量，其在abc坐标系下的表达式如下：其中，Um为各相电压幅值，ω为电网电压角频率，φ为初始相角。
利用Clark变换，将式(1)中三相电压变换到两相静止αβ坐标系：再利用Park变换，最终转换为dq坐标系下的直流分量Ud、Uq：1.1 同步坐标系锁相环原理根据瞬时无功功率理论，将三相电压合成矢量在同步坐标系下进行分解，图1所示为同步旋转坐标系示意图，图中Us为三相电压合成矢量，与坐标轴的夹角为θ(θ=ωt)，θ′为锁相环实际输出电压矢量与坐标轴的夹角，Ud、Uq分别为三相合成矢量在同步旋转坐标系下的d轴和q轴上的直流分量。
一种新的过零锁相方法
第38卷第19期电力系统保护与控制Vol.38 No.19 2010年10月1日 Power System Protection and Control Oct. 1, 2010一种新的过零锁相方法刘海春，徐立智，谢少军（南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016）摘要：在中频电网中，由于信号频率较高且偏移较大，传统的过零锁相往往难以获得准确的锁相结果。
提出了一种新的过零锁相方法，即在电源信号的每个正向过零点通过对正弦表地址指针值与参考值之间的偏差进行PI调节，进而改变系统的采样周期，从而使锁相环的输出信号与电源信号保持同相。
该方法能实现在预定采样率下系统采样时间的闭环控制，特别适用于信号频率较高且偏移较大的应用场合。
建立了该方法的控制模型，并对其进行了分析。
利用DSP实验平台及400 Hz DVR 样机对该方法进行了实验验证。
关键词：锁相；动态电压恢复器；有源电力滤波器；采样时间；PI调节A new phase locking method with zero crossingLIU Hai-chun，XU Li-zhi，XIE Shao-jun（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，Nanjing 210016，China）Abstract：For the mid-frequency grid the signal is characterized with a relatively high frequency and a big variation of，frequency it，’s difficult to obtain an ideal phase locking for the typical phase locking method with zero crossing To cope with this．problem a new phase locking method with zero crossing is proposed which changes the sampling period of system by adjusting the ，，error of the practical and reference address pointer values of sine wave table at each zero crossing point with rising edge of signal through PI loop thus the output signal of PLL will be in phase with source signal，．The method realizes a close loop control of sampling time when the sampling rate is constant which is suitable especially for signal with a relatively high frequency and a big，variation of frequency．The control model of the method is built and analyzed．Finally the method is validated with a DSP experimental platform and a 400 Hz DVR prototype.Key words：phase locking；DVR；APF；sampling time；PI adjusting中图分类号： TM76 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)19-0147-040 引言在并网逆变器[1]、电能质量控制器如动态电压恢复器（DVR）[2-3]、有源电力滤波器（APF）[4-5]等设备的研究应用中，锁相技术是一个基础性的技术。
一种适用于频率变化的单相数字锁相环
一种适用于频率变化的单相数字锁相环周敏杰;史旺旺【摘要】基于传统的单相电网电压相位检测方法在频率变化时存在的缺陷,提出了一种新型的数字锁相环设计方法.所提出的数字锁相环通过带遗忘因子的递推最小二乘法进行椭圆拟合辨识出椭圆参数,应用锁相环产生不对称相位输出,消除电网频率变化时鉴相输出的2倍频分量.推导出不对称相位和椭圆参数的关系,设计带遗忘因子的递推最小二乘法,最后给出仿真和实验结果,仿真和实验结果验证了该方法的准确性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2014(044)011【总页数】4页(P77-80)【关键词】锁相环;频率变化;椭圆拟合;递推最小二乘法【作者】周敏杰;史旺旺【作者单位】扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225009;扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225009【正文语种】中文【中图分类】TM76随着环境问题和能源需求的增加，风能和太阳能等新能源发电技术得到了广泛的应用。
与此同时单相并网发电系统的运行性能要求也在逐渐提高。
在新能源单相并网发电系统中，电网电压的相位、幅值和频率是并网运行的关键信息。
电网电压相位和频率的准确获得直接影响着单相并网系统的稳态、动态性能及其安全运行［1-3］。
目前单相系统中数字锁相环技术在跟踪获取电网电压相位和频率方面得到了广泛应用。
在单相系统中，传统数字锁相环采用过零鉴相的方法，它是通过检测电网电压过零点来得到相位信息。
该方法虽然实现简单，但是在2个检测点之间如果频率发生变化时，则不能实现快速跟踪相位变化，抗干扰能力差，锁相效果差。
另外还有虚拟乘法器鉴相和构造虚拟两相法鉴相等鉴相方法。
其中虚拟乘法器的不足之处在于若输入信号中存在2倍频信号，采用一般的低通滤波器时，滤波器的惯性时间常数必须取较大的数值，这就会影响系统的响应速度。
另一方面，当电网电压信号存在高次谐波时，输入信号存在高次谐波分量，一般的滤波器很难滤除所有的谐波分量［4-10］。
过零鉴相法
过零鉴相法
（最新版）
目录
1.过零鉴相法的概念
2.过零鉴相法的原理
3.过零鉴相法的应用领域
4.过零鉴相法的优缺点
正文
1.过零鉴相法的概念
过零鉴相法是一种用于检测信号的技术，它的主要作用是在信号经过零点时进行相位的判断。
在电子技术、通信技术等领域中，过零鉴相法被广泛应用，以实现对信号的精确检测和控制。
2.过零鉴相法的原理
过零鉴相法的原理主要基于信号的过零点和相位变化。
当信号经过零点时，其值为零，此时可以通过检测信号的相位变化来判断信号的性质。
过零鉴相法利用这一原理，通过对信号进行采样和处理，实现对信号的快速、精确检测。
3.过零鉴相法的应用领域
过零鉴相法在多个领域中都有广泛的应用，主要包括以下几个方面：（1）通信技术：在数字通信系统中，过零鉴相法可以用于对数字信号进行解调，从而恢复原始信号。
（2）雷达技术：在雷达系统中，过零鉴相法可以用于对回波信号进行处理，提高雷达系统的分辨率和检测能力。
（3）自动控制：在自动控制系统中，过零鉴相法可以用于对控制信
号进行检测和处理，实现对被控对象的精确控制。
4.过零鉴相法的优缺点
过零鉴相法具有以下优缺点：
优点：
（1）检测速度快：过零鉴相法可以在信号经过零点时进行检测，因此具有较快的检测速度。
（2）精度高：过零鉴相法可以实现对信号相位的精确判断，从而提高检测的精度。
缺点：
（1）受信号干扰影响：在实际应用中，信号可能受到各种干扰，导致过零鉴相法的检测结果受到影响。
提高数字锁相环锁相稳定性的方法
提高数字锁相环锁相稳定性的方法摘要：本文针对光伏并网发电系统中数字锁相环易受过零检测电路影响，稳定度差的问题，采用了相应的硬件和软件方法解决锁相环稳定性问题。
硬件上通过提前过零检测来补偿加重滤波器带来的相位滞后；软件上加入判断过零点真伪的功能，以及先检测过零点再切换后级逆变桥的方法有效避免错误过零点造成的锁相失败问题，达到了很好的效果。
Abstract: since zero-crossing detection has negative impact on the problem of stability of digital phase-locked loop, we use the corresponding hardware and software solutions to improve the phase-locked loop's stability in this paper. In terms of hardware, we bring forward the zero-crossing detection to compensate for the phase lag caused by filter. In terms of software, we add a method to judge the authenticity of the zero-crossing, as well as firstly detecting zero-crossing then switching inverter, which effectively avoid errors of zero-crossing detection caused by phase-locked failure, and achieve good results.关键词：数字锁相环；稳定性；相位补偿；假过零点Key words: digital phase-locked loop；Stability ；phase compensation；Pseudo-zero-crossing point数字锁相，与传统锁相相比，能够减少对硬件电路参数的依赖，易于实现，而且控制方便。
基于CPLD实现的一种新颖数字锁相
关键词：数字锁相环；ＣＰＬＤ；感应加热；移相控制
中图分类号：Ｔｆｆ２７３：ＴＧ４３
文献标志码：Ｂ
０引言 锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成２
个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫锁相环，简 称ＰＬＬ。锁相技术现已广泛应用于电子技术的各个领 域，在感应加热中由于负载线圈都为时变元件，其电 参数随时间、温度变化，因而负载谐振频率也随时间 变化。为提高电源输出功率因数。降低开关损耗，应 对变换器的功率开关器件实行软开关控制，必须使驱 动脉冲频率跟踪谐振频率。最初的锁相全部由模拟电 路组成．模拟锁相存在温度漂移、电网电压的影响等 缺点。
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万方数据
稠３四路ｎ矾Ｈ的输入输出信号示意田
Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２００９
测宽（ｃｅｋｕａｎ）模块如图４所示。
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ｅｎｄ ｆｅｎｐｉｎ； ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｒｔｌ ｏｆ ｆｅｎｐｉｎ ｉｓ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｕｎｔｅｒ：ｒａｎｇｅ ０ ｔｏ １０２３；
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模块（ｃｅｋｕａｎ），锁存模块（１０ｃｋ，ｌｏｃｋｙｘ），死区实 现及驱动实现模块（￥ｃａ，ｓｃｂ，ｓｅｅ，ｓｃｄ），保护模块 （ｂａｏｈｕ）组成。ｒｅｓｅｔ是作为故障信号。电流输入信 号是逆变桥输出的电流通过过零比较器等转换为幅值 为３．３ Ｖ的方波信号，ｙｘａｃ［７…０］为一个８位的移 相信号，ｐｗｍａ，ｐｗｍｂ，ｐｗｍｃ，ｐｗｍｄ为四路输出驱 动信号【５１。
万方数据
·焊接设备与材料· ３７
一种FPGA实现的全数字锁相环
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·138·2020年第17期文章编号：2095－6835（2020）17－0138－02一种FPGA实现的全数字锁相环＊阎昌国，李青，马登秋，安玉（遵义师范学院工学院，贵州遵义563006）摘要：锁相环技术是新能源并网发电的关键技术之一。
针对传统锁相环存在零点漂移、精度低、易受温度影响的缺点，提出了一种用FPGA实现的全数字锁相环。
详细分析了全数字锁相环的工作原理，完成了该全数字锁相环的FPGA设计与实现。
最终通过逻辑仿真与实验证实，该全数字锁相环能有效地跟踪电网电压的频率与相位，具备精度高、不受温度影响、具备可编程能力等优点。
关键词：锁相环；全数字；FPGA；逻辑仿真中图分类号：TM46文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.17.059随着科学技术的快速发展，锁相环技术已被广泛地应用在了通信、测量、自动控制等领域[1-3]。
面对当下改善生态环境、解决能源短缺的紧迫问题，诸如太阳能、风能、核能等新能源发电成了良好的方案，其并网运行的应用便成为了潮流趋势[4-6]。
其中，新能源发电系统能否实现并网运行，关键技术就在于锁相环是否能够有效并准确地保证并网逆变器输出的电流始终跟随电网电压的频率与相位。
而传统的锁相环主要由模拟电路实现，因存在直流零点漂移与器件饱和现象，易受温度与电源的影响，会导致锁相环跟踪精度下降[7]。
EDA（电子设计自动化）技术的发展，为克服模拟电路固有缺陷实现全数字化提供了良好的路径[8]。
为此，本文以FPGA（现场可编程门阵列）为载体，提出了一种全数字锁相环的实现方案，详细分析了该方案的工作原理，通过逻辑仿真与实验结果表明该方案能有效地跟踪电网电压频率与相位，可以应用到新能源并网发电系统中。
1工作原理分析全数字锁相环的原理图如图1所示，它主要由鉴相器、K模可逆计数器、脉冲加减控制电路与N分频电路四个部分组成。
一种电网电压过零点精确锁相方法的研究
一种电网电压过零点精确锁相方法的研究陈增禄;赵乾坤;史强强;孟新新;颜廷欣【摘要】针对电网电压过零锁相时存在的零点漂移和相位延迟问题，提出了一种电网电压过零点精确锁相的方法。
通过软件PQ 滤波去除 ADC 采样结果中的零点漂移；通过人为设定一个过零点锁相提前量，可提前预见到电网电压的过零点；然后通过软件自适应补偿算法，实现电网电压过零点的精确检测。
详细阐述了该方法的原理和计算过程，在无整流器自充电电压暂变补偿装置上的实验结果证实了所提方法的正确性。
%To cope with the problem of the voltage-zero drift and the phase delay in zero crossing phase lock, a precise phase lock technique used for grid voltage zero-crossing is proposed. This method removes the zero drift in the ADC sampling result by using PQ filtering;and then sets a zero phase locking schedule artificially, in order to foresee the zero-crossing point of the grid voltage;lastly, through software self-adaptive compensation algorithm, the precise detection of grid voltage zero point can be realized. The design principle and calculation process of this method are introduced. This method is proved to be correct by experiment on the platform of the self-charging voltage sag compensator without rectifier.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】6页(P65-70)【关键词】PQ滤波;零点漂移;过零锁相;自适应;相位延时【作者】陈增禄;赵乾坤;史强强;孟新新;颜廷欣【作者单位】西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TM71电网电压或电流相位信息的快速准确获取对各种并网变流器的稳态、动态性能以及安全运行都具有重要的意义。
一种改进的过零检测分析方法
航天电子对抗第23卷第4期收稿日期:2007-01-29作者简介:孔辉(1984-),男,硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理。
一种改进的过零检测分析方法孔 辉,叶 菲,王杰贵(解放军电子工程学院,安徽合肥 230037) 摘要: 过零检测法是一种经典的调制域分析方法,它原理简单,计算方便,对单载频、线性调频和FS K 信号有着较好的效果。
但过零检测法无法分析相位编码(B PS K )信号。
因此提出了一种改进的过零检测算法:零点斜率测频法。
通过仿真验证,证明了该方法是一种有效的雷达脉内特征分析方法,它不仅可以分析单载频、线性调频和FS K 信号,还可以分析B PS K 信号。
关键词: 调制域分析;过零点瞬时频率;零点斜率中图分类号: TN 971.+1;TN 974 文献标识码: AAn improved analytic method of across 2zero detectingK ong Hui ,Ye Fei ,Wang Jiegui(Electronic Engineering Instit ute of PLA ,Hefei 230037,Anhui ,China )Abstract :Cross 2zero is a classical analytic method of modulate 2domain which has good effect on the carrier f requency signal ,linear f requency modulation signal and FSK signal.The theory and calculating of it are sim 2ple ,but it cannot analyze the signal of BPSK signal.An improved method which measures f requency through the slope of zero based on the cross 2zero detecting is presented.According to the simulation results ,measuring f requency through the slope of zero is an effective method for analyzing intra 2pulse modulation signatures of ra 2dar signals.It can not only analyze the carrier f requency signal ,linear f requency modulation signal and FSK signal ,but also can analyze the BPSK signal.K ey w ords :modulate 2domain analysis ;instantaneous f requency of cross 2zero ;slope of zero1 引言雷达信号脉内特征可以通过时域、频域和调制域的分析得到,其中调制域分析方法是指用直接测量信号载波的幅度、频率及相位变化得到的信息,来获得信号调制特征的分析方法。
一种简易的三相软件锁相方法
qiyekejiyufazhan 61
企业科技创新
实现锁相功能。除了以上计算实现锁相，经过对 Ualfa、Ubeta 波 形分析，提出一种模拟硬件锁相的控制方法，编程简单，锁 相速度快。
正相序或负相序时 Ualfa、Ubeta 波形如图 2 所示。 Ubeta 波形由负到正过零时 （图 2 中 A 点），Ualfa 数值为 正，可以判断电网三相电源电压是正相序；Ualfa 数值为负，则 是负相序。而且，由于 Ualfa 与 Ubeta 相位相差恒定的 1/4 电网 周期，通过图 2 中 A 点也可推导出电网 A 相电压过零点 （图 2 中 B 点） 的发生时刻，由于模拟了硬件锁相的实现过程， 所以能快速实现电网电源电压锁相。 采用 TMS320F2808 为主控芯片，主频为 100 MHz， 利用通用定时器 0 计算电网频率。具体实现过程为通用定时 器 0 开启后每 33.3 μs 进一次中断，在中断中判断图 2 所示 A 点发生时刻并计数，相邻两次计数差值与 33.3 μs 的乘积 就是电网周期。例如：通用定时器 0 每 33.3 μs 进一次中断， 电网周期为 20 ms 时，那么中断中相邻两次计数差值为 600。软件锁相程序流程图如图 3 所示。
0 引言
PWM整流器的控制算法中包含有电网基波相位和电网频 率的检测，通常采用硬件锁相或软件锁相实现。硬件锁相速 度快，但在谐波含量高的电网中锁相精度较差；软件锁相在 谐波含量高、相位或波形畸变和频率突变时，都具有较好的 抗干扰能力，是目前普遍采用的一种锁相方式[1-5]。
传统的软件锁相是基于 PI 控制，通过同步旋转坐标变换 方法来检测电网的基波频率和相位信息。但软件编程时，PI 计算占用一定的 DSP 资源且存在延时。文中在同步旋转坐标 变换的基础上，提出一种基于静止两相 琢茁 坐标系实现软件锁 相的方法，避免了 PI 计算，编程实现也比较简单。
一种基于多过零鉴相器的数字锁相环
２ ２年 ９月 ０１
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一
种基于多过零鉴相器 的数字锁相环
戴 永 辉 ， 巧 文 ， 逢 煌 ， 武 洪 蔡 王
（ ｔ 大 学 电气工程 与 自动化 学院 ， 州 福 建 ３ ０ ０ ） 福 ＇ １ ＂ Ｉ 福 ５ １ ８
计 数 器 Ｔ Ｃ Ｒ（ 数 步 长 １ ＳＴ 计 ｓ ， 下 一 个 上 升 ）在
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沿 到 来 时 产 生 中 断 ，这 期 间 保 存 Ｔ Ｃ Ｒ 的 值 到 ＳＴ ＣＰ Ａ １寄 存 器 中 ， 随后 补 偿 Ｔ Ｃ Ｒ的值 并 等 待 下一 ＳＴ 次 的捕获 中断 。由 Ｃ Ｐ Ａ １的值便 可 以得 到 电 网 电压
．
个 工频 周 期 内可 实现 数百 次 的鉴 相 和 闭环调 节 ，
但 电网 电压 要为 正 弦波 ， 否则误差 较 大。第 二类 ， 是 采 用离 散 傅 里 叶变 换进 行基 波 鉴相 ， 散 傅 里 叶变 离
换 可 以从 任 意 信 号 中抽 取 基 准频 率 倍 频 次 信 号 的
第 ５期
戴 永 辉 ， ： 种 基 于 多过 零 鉴 相 器 的数 字 锁 相 环 等 一
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率 。经 过 几个 周期 的调 整后 ， 实 现并 网 电流 与并 可
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网 电压 同频 同相 。 统 过零 鉴相 可 以采 用 Ｄ Ｐ的捕 传 Ｓ 获模 块 ， 电网 电压 同 步信 号 的过 零 点来 触 发 启 动 靠
法 的 可行 性 。
基于FPGA的全数字锁相环的设计与实现
基于FPGA的全数字锁相环的设计与实现一、本文概述本论文聚焦于基于现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array, FPGA）技术设计与实现全数字锁相环（AllDigital PhaseLocked Loop, ADPLL）的研究工作。
全数字锁相环作为一种关键的信号处理模块，广泛应用于通信系统、雷达系统、高速数据采集、频率合成等领域，其性能直接影响到整个系统的稳定性和精度。
随着FPGA技术的发展，ADPLL在灵活性、集成度、可编程性及实时调整等方面展现出显著优势，成为现代电子系统中实现高精度频率合成与同步控制的理想选择。
本文旨在深入探讨基于FPGA平台构建全数字锁相环的理论基础、设计方案及关键技术，并通过实际工程实践验证其性能。
研究内容主要涵盖以下几个方面：理论背景与技术综述：对全数字锁相环的基本原理、组成结构以及工作模式进行全面阐述，对比分析其与传统模拟锁相环和混合信号锁相环的优缺点。
在此基础上，详细介绍FPGA技术的特点及其在ADPLL设计中的应用价值，为后续设计工作奠定理论基础。
系统架构与模块设计：详细阐述所设计的基于FPGA的全数字锁相环的整体架构，包括鉴相器（Phase Detector）、数字环路滤波器（Digital Loop Filter）、数控振荡器（Digitally Controlled Oscillator, DCO）等核心组件的设计思路与实现细节。
针对FPGA资源特性，优化各模块算法及硬件实现，确保其在有限逻辑资源下达到高性能指标。
关键算法与技术实现：探讨用于提升ADPLL性能的关键技术，如低噪声鉴相算法、快速锁定策略、频率牵引与抖动抑制技术等，并展示如何将其有效融入FPGA实现中。
同时，阐述如何利用FPGA的可编程特性实现实时参数调整与在线监控，增强系统的动态适应能力和故障诊断能力。
仿真验证与实验结果：通过高级硬件描述语言（HDL）对设计进行建模，并利用FPGA开发环境进行功能仿真与时序分析，验证设计的正确性和稳定性。
过零鉴相法
过零鉴相法摘要：1.过零鉴相法的定义和原理2.过零鉴相法的应用领域3.过零鉴相法的优缺点分析正文：一、过零鉴相法的定义和原理过零鉴相法，是一种用于检测信号是否过零点的技术，也被称为零交叉检测法。
其基本原理是，当信号的值从正数变为负数，或者从负数变为正数时，这个点被称为零点。
过零鉴相法的核心是检测信号的零点，并根据零点的变化来判断信号的性质和特征。
二、过零鉴相法的应用领域过零鉴相法广泛应用于各种信号处理和检测领域，如音频处理、图像处理、通信系统、传感器技术等。
在音频处理中，过零鉴相法可以用来检测音频信号的零点，从而实现音频信号的采样和重建。
在图像处理中，过零鉴相法可以用来检测图像信号的零点，从而实现图像信号的采样和重建。
在通信系统中，过零鉴相法可以用来检测信号的零点，从而实现信号的解调。
在传感器技术中，过零鉴相法可以用来检测传感器输出的零点，从而实现传感器的精确测量。
三、过零鉴相法的优缺点分析过零鉴相法具有以下优点：1.高精度：过零鉴相法可以精确地检测信号的零点，从而实现高精度的信号采样和重建。
2.高效率：过零鉴相法可以快速地检测信号的零点，从而实现高效的信号处理和检测。
3.抗干扰性强：过零鉴相法对信号的干扰具有一定的抗性，能够在复杂的信号环境中实现准确的信号检测。
然而，过零鉴相法也存在以下缺点：1.对信号的波形和幅度有一定的要求：过零鉴相法对信号的波形和幅度有一定的要求，当信号的波形和幅度发生变化时，可能会影响过零鉴相法的精度。
2.对噪声敏感：过零鉴相法对噪声比较敏感，当信号中存在较强的噪声时，可能会影响过零鉴相法的精度。
一种新的过零锁相方法
一种新的过零锁相方法
刘海春;徐立智;谢少军
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2010(038)019
【摘要】在中频电网中,由于信号频率较高且偏移较大,传统的过零锁相往往难以获得准确的锁相结果.提出了一种新的过零锁相方法,即在电源信号的每个正向过零点通过对正弦表地址指针值与参考值之间的偏差进行PI调节,进而改变系统的采样周期,从而使锁相环的输出信号与电源信号保持同相.该方法能实现在预定采样率下系统采样时间的闭环控制,特别适用于信号频率较高且偏移较大的应用场合.建立了该方法的控制模型,并对其进行了分析.利用DSP实验平台及400 Hz DVR样机对该方法进行了实验验证.
【总页数】5页(P147-150,159)
【作者】刘海春;徐立智;谢少军
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016【正文语种】中文
【中图分类】TM76
【相关文献】
1.一种新的锁相测速方法 [J], 李宁;眭法川
2.锁相环电路中一种新的相位检测方法 [J], 陆晾
3.一种电网电压过零点精确锁相方法的研究 [J], 陈增禄;赵乾坤;史强强;孟新新;颜廷欣
4.一种新的锁相环路的噪声性能分析方法 [J], 罗晖;张广发
5.对零件分组方法的研究—介绍一种新的简单可行的零件分组方法 [J], 方淑芬;姜原子
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1.1一种优化的数字过零锁相方法
在并网型电力电子设备中，不可避免地都面临锁相技术的应用[111]，这是由于电流环需要基准相位进行控制，而直接将电网电压经标幺后作为锁相信号会引入电网中的谐波等干扰。
目前的单相锁相技术可分为数字锁相与模拟锁相两种。
模拟锁相依靠外围模拟电路捕获电压过零点，并以中断的方式触发微控制芯片[112]，这种锁相方式的缺点在于难以有效分辨多次过零等干扰因素，因此目前已经较少应用。
数字锁相主要有过零锁相及软件锁相两类，过零锁相依靠对采样信号过零点的判断，以软件滤波的方法剔除多次过零等信号干扰，以数字计算的方法实现正弦信号的输出[113]。
过零锁相作为目前应用最广泛的单相锁相方法，其优点在于实现简单且不引入输入电压中的谐波与畸变，但存在周期性滞后的问题，数字化离散采样存在过零时差，且在输入电压频率不稳定的情况下易发生输出相位突变。
软件锁相方法主要是通过虚拟3/2变换或单相功率分解等方法实现与输入电压同频同相的正弦信号输出[114]。
软件锁相的优点是不存在周期性滞后，动态响应较快，相位信息完整，但其缺点是容易引入输入电压中的谐波，且当输入电压幅值变化剧烈时，易发生输出信号紊乱的情况。
由于现有各种锁相技术均存在不同程度的缺陷，因此本节在数字过零锁相的基础上进行了优化，解决相位突变及过零时差，从而保证控制系统的稳定性。
在数字控制系统中，模拟量被以离散化的数字量形式送入锁相单元。
由于采样系统和输入电压的频率及相位无法同步，往往出现图3.45所示的过零时差现象。
t(k-2)
t z
u N
t(k-1)t(k)t(k+1)t(k+2)t(k+3)t(k+4)图3.45 过零时差现象原理图
在图3.45中，t(k)、t(k+1)、t(k+2)……为采样时刻，u N为输入电压信号，u N 的实际过零时刻为t z。
但在数字系统离散化采样中，仅能够判断过零点在t(k)与t(k+1)之间，一般情况下会以t(k+1)作为锁相输出信号的起始点。
因此，就产生
了过零时差t d 。
令系统采样周期为T S ，则
d S 0t T ≤≤ (3-38)
过零时差的存在将使系统锁相信号出现误差，且直接影响系统并网电流功率因数等关键参数。
因此，对于高性能控制系统，必须解决该问题，一般的方法是采用正弦查表的方式[111]，但会占用大量的系统内存资源。
本文提出在单周期内对正弦信号近似线性化的方法，解决该问题，从而近似地逼近实际正弦时刻。
由于u N (t )为正弦信号，且幅值为U N ，因此
N N d [(1)]sin()u t k U t += (3-39)
由于系统采样频率远大于基频，因此可认为S 0T →，则结合式(3-38)得
d d d 0lim sin()t t t →= (3-40)
将式(3-40)代入(3-39)中得
N d N
[(1)]u t k t U += (3-41) N [(1)]u t k +可由系统采样得到，U N 已知，因此可由式(3-41)得过零误差t d 。
实际系统中的U N 可由均方根算法得出，以避免电网电压设计值与实际值不符造成的误差。
同时需为t d 加以限幅，如式(3-42)所示，以避免偶然出现的u N 波形畸变或采样干扰等因素造成锁相输出误差。
d d d d S S d S
000t t t t t t t t <⎧⎪=≤≤⎨⎪>⎩ (3-42) 由于过零锁相存在周期性滞后，仅在输入信号过零时刻对输出信号进行校准，因此当输入信号频率变化时，易出现图3.46所示相位突变。
u )
t
图3.46 相位突变现象仿真波形图
在图3.46中，u N为锁相输入信号，其幅值为2，sin(ωt)为锁相输出信号。
u N
的频率在1s时刻由50Hz工频突降5%，在下一次正向过零点约1.021s时，sin(ωt)
产生了相位突变。
当控制系统相位给定信号出现图中所示突变时，将直接造成输
入电流的波动，从而影响输入电流质量和直流母线电压稳定性。
因此，本节对实际锁相相位和锁相输出相位进行区别，通过加入PI调节器
缓冲，使输出相位平缓变化，且最终达到与实际锁相相位同步的效果，控制框图
如图3.47所示。
)
图3.47 优化数字过零锁相控制框图
在图3.47中，输入电压信号u N在经过防止多次过零干扰的滤波器Filter后，
送入鉴相器PD。
PD的送出的信号中，t s为两个u N过零点间经过计时得到的时
间步长，clr为过零时刻发出的累加清零信号，t d为过零时差。
ADD1为实际锁相
相位累加器，每次系统中断则输出值累加t s，收到clr信号则清零。
ADD2为输
出相位累加器，每次系统中断则输出值累加t s，计满2π则自动清零。
t r为实际锁
相相位，作为PI调节器的给定信号。
t o为输出相位，由PI调节器输出与ADD2
累加结果相加得到。
最后的SIN模块为正弦求值模块。
这种锁相方法的优势在于使用PI调节器可以对输出相位进行缓冲，不使其
存在剧烈变化，同时在稳态下输出相位将与实际相位完全重合。
图3.48为在与图3.46中相同的u N输入信号下，优化数字过零锁相的仿真结
果。
u
)t
图3.48 优化数字过零锁仿真结果
在图3.48中，由0.99s与1s的两个过零时刻可见，稳态下优化数字过零锁
相精度很高，不存在误差。
当u N在1s时刻频率变化后，锁相输出在1.02s即下一个正向过零时刻开始响应，输出信号不存在相位突变，在之后1个正弦周期内达到与输入信号同相。
综上所述，优化过零锁相抑制了输出信号相位突变，同时提高了锁相稳态精度。