单相锁相环总结
锁相环理论讲解
锁相环的理论锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：鉴相器(Phase Detector ：PD)、低通滤波器(LowPass Filter ：LPF)，亦即环路滤波器(L00P Filter ：LF )，和压控振荡器(V oltage Controlled Oscillator ：VCO )。
这三个基本模块组成的锁相环为基本锁相环，亦即线形锁相环(LPLL)，如图2．1所示。
图2.1锁相环原理图当锁相环开始工作时，输入参考信号的频率1f 与压控振荡器的固有振荡频率o f 总是不相同的，即1o f f f ∆=-，这一固有频率差1o f f f ∆=-必然引起它们之间的相位差不断变化，并不断跨越2π角。
由于鉴相器特性是以相位差2π为周期的，因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。
这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率o f 趋向于参考信号的频率i f ，直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等，并满足一定条件，环路就在这个频率上稳定下来。
两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数，这时环路就进入“锁定”状态。
当环路已处于锁定状态时，如果输入参考信号的频率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。
而环路不处于锁定和跟踪状态，这个动态过程称为“失锁”过程。
从上述分析可知，鉴相器有两个主要功能：一个是频率牵引，另一个是相位锁定。
实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块，但是这些附加的模块不会影响锁相环的基本工作原理，可以忽略。
2.1 锁相环的工作原理锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：鉴相器【4】、低通滤波器，亦即环路滤波器，和压控振荡器。
在本节首先分析鉴相器、环路滤波器和压控振荡器.2.1.1 鉴相器锁相环中的鉴相器（PD ）通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图示：()O U t ()i U t ()D U t图2.2 模拟鉴相器电路 鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：()sin[()]i m i i u t U t ωθ=+ （2.1）()sin[()]o om o o u t U t ωθ=+ （2.2）式中的O ω为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。
单相电力锁相环
第四章电网电压的相位检测及相控触发脉冲的FPGA实现4.1 电网电压的相位检测方法分类介绍在交流输配电的电力系统中，无论是仪器仪表还是电力电子设备，大部分都需要和电力系统电压相位进行同步才能进行精确的计算和控制，达到补偿和优化的效果。
所以为了保证此套融冰与无功补偿双用途系统的性能，第一步就是要选用一个好的电网电压的相位检测算法，获得和电压同步的相位。
常用电压同步信号的获取方法共有以下几种：1.硬件电路过零比较法2.基于基波傅立叶变换计算相位法3.基于dq变换的三相锁相环技术方法4.基于dq变换的单相锁相环技术方法以上四种方法中，后三种其实是可以统称为dq变换的锁相环技术，只是针对现场情况的不同，做了不同的改进和优化。
下面对三种不同同步信号获取的方法分别进行介绍，最后并对其优缺点进行讨论，选出比较好的一种锁相方法应用到本课题所设计的控制器中。
（1）硬件电路过零比较法硬件电路过零比较法一般是用硬件电路搭建起来，首先对输入进来的电网电压信号进行模拟信号的隔离，防止外部信号的电压突变，产生过电压，损坏电路板的内部电路。
隔离后的电压信号，然后进行低通滤波，将高次的谐波电压分量给过滤掉，剩下基波分量。
然后将基波分量信号通入电压跟随器，由于电子管导通至少需要一定的导通电压，如硅介质的需要0.7V左右，锗系列的也至少需要0.3V的电压，因此对于5V的电压同步信号来说，这种误差还是难以忍受的，换算成角度的话将会有20-30度的误差，使系统的精确控制来说将致命的。
因此为了能够调整同步信号的相位，再次加装了电压跟随器，通过调整电阻器的阻值可以使跟随的电网同步信号前移和后移一定相位，在现场根据波形比较进行调节，获得最佳的电阻参数。
获得和电网电压同步信号后在送入电压过零比较器，产生同步方波信号，这种信号的高电平代表着电网电压的正半周，低电平代表着电网电压的负半周。
这样就将电网电压的同步信号转换成了芯片直接可以识别的数字量信号，50hz的波形，上升沿代表着同步信号相位的零度，下降沿代表着同步信号的180度，高电平代表0-180度，低电平代表180-360度。
锁相环分析
几种常见锁相环分析并网变换器对锁相环的基本要求：（1）电网电压经常发生跌落、闪变等动态电能质量问题，并且这些异常的出现均是不可预计而且需要及时补偿的。
所以要求并网变换器能够对电网电压相位的变化在ms级的时间内能做出快速的响应，即要求并网变换器的锁相方法要有良好的动态性能，保证当电压跌落和骤升时不对锁相性能造成太大影响。
（2）三相电压不平衡时，要求电力电子装置的锁相方法能够捕获正序基波分量的相位，对三相不平衡情况有很强的抑制作用。
（3）锁相环应该能快速检测到电网电压发生相位、频率突变等问题。
（4）要求锁相方法对畸变电压要有很强的抑制作用。
（5）对于一些电力补偿装置如动态电压恢复器，锁相方法不仅要实时检测网侧电压的相位，而且要实时监测网侧电压的幅值变化状况用来判断并决定电力补偿装置的工作模式1、基于低通滤波器的锁相方法Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通滤波器的锁相方法，其原理如图所示。
三相电网电压从三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，利用常见的低通滤波器滤除电网中的谐波干扰，然后对信号进行标么化处理，从而得到电网电压的相位，旋转矩阵R用于补偿滤波器所造成的相位滞后。
原理及R优点：避免检测过零点带来的问题缺点：1、在设计低通滤波器时，需要在系统滤波器的鲁棒性和动态响应之间做出折中的选择，较低的截止频率可以抑制系统谐波对相位检测的干扰，但是也相应的降低了系统的响应速度。
2、这种方法需求得反三角函数值，计算速度较慢，尤其在系统频率变动和三相电压不平衡时，对畸变电压的抑制作用弱，因此无法正确锁相。
参考文献Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-Frequency2、基于空间矢量滤波器(SVF)的锁相方法空间矢量滤波器是一种用于空间矢量滤波的新型滤波器，它是基于电网电压的αβ分量相互关系相互影响的基础上提出的。
【非常好】锁相环原理解析
随时间摆动。
6.4
当 o r 时， e t 随时间 i o 减小，pe小， 增长慢。
当o r 时，
pe大， i o 增大，
e t 随时间增长快。
如图6.4.2（a）所示。
显然， d (t ) 不再是正弦 波，而是正半周长、负半周
锁定。
（B）i 比（A）大
d 经LF后的衰减更大，加到VCO上的 c很小。 显然，
VCO的 o在 r 上、下摆动的幅度更小。使o 不能摆到 i
上，但由于i是恒定的，而 o 又在r 、下摆动，因而
6.4
他们之间的差拍 i o 将相应随时间摆动。使d 不再 是正弦波，而是正半周长负半周短的不对称波形。
i 30 103 o e arcsin arcsin 48.59 Ad A0 4 104
要维持此相差的误差电压为
c d Ad sin e (t ) 2sin 48.59o 1.5(V)
2、当 i Ad A0 时 设 i i r ，闭合前：VCO的角频率为 r 环路闭合的瞬间，由PD产生 d t Ad sin e t 此时
在二阶环路中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，
它相当于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分。 从而使环路滤波器输出的控制电压不断增加，使压控振
荡器的振荡频率不断向输入信号频率靠近，直至环路进
入相位锁定状态。如果有源积分滤波器为理想积分滤波 器，那么不管固有频差为多大，经过频率牵引总能使环 路达到锁定状态.
1 1 c RC
2
1 RC 的条件
∴ AF c
1 c RC
1 代入计算 c 的公式中： c Ad Ao c RC
单相锁相环原理
单相锁相环原理单相锁相环原理解析什么是单相锁相环？单相锁相环是一种用于提供精确时钟信号的电子系统。
它通过比较输入和输出信号的相位差，然后进行反馈调整，以保持相位差恒定。
单相锁相环的基本原理单相锁相环由以下几个主要组成部分组成： - 相位比较器 - 环形滤波器 - 控制电路 - VCO（Voltage Controlled Oscillator，电压控制振荡器）相位比较器相位比较器是单相锁相环的核心组件之一。
它用于比较输入信号和反馈信号之间的相位差。
常用的相位比较器包括乘法器、加法器和XOR门等。
环形滤波器环形滤波器用于平均相位比较器的输出，并生成一个用于控制VCO的反馈信号。
环形滤波器通常由一个或多个延迟元件和一个加法器构成。
控制电路控制电路根据环形滤波器的输出，调节VCO的控制电压。
控制电路的设计通常采用PID控制算法或其他调节机制，以实现锁定相位差、提供稳定的时钟信号。
VCOVCO是单相锁相环的输出端，它根据控制电路的输出，产生一个频率可调的时钟信号。
VCO的频率会受到控制电压的调节，以使得输入和输出信号的相位差尽可能接近零。
单相锁相环的工作过程1.开始时，将输入信号和反馈信号送入相位比较器进行比较。
2.相位比较器输出的差异信号经过环形滤波器平均处理。
3.平均后的信号被送入控制电路，根据其计算结果调节VCO的控制电压。
4.VCO根据调节后的控制电压生成一个新的时钟信号。
5.新的时钟信号作为反馈信号送回相位比较器，与输入信号进行比较。
6.通过反复调节VCO的控制电压，使得输入和输出信号的相位差逐渐趋近于零。
7.当相位差达到稳定状态时，系统将进入锁定状态，输出的时钟信号与输入信号同步。
单相锁相环的应用领域单相锁相环由于其高精度、低抖动、稳定性好的特点，广泛应用于以下领域： - 通信系统 - 测试与测量仪器 - 仪器仪表 - 雷达和卫星通信系统 - 音频和视频设备总结通过相位比较器、环形滤波器、控制电路和VCO组成的单相锁相环系统，能够将输入信号与反馈信号的相位差控制在非常小的范围内。
关于锁相环的说明
锁相环1．锁相环的基本组成锁相环工作目标，外部的输入信号与内部的振荡信号同步。
锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的相位。
（相位包括两部分，频率相位tω和初相θ；初相一旦工作后就确定下来，实际控制相位就是控制频率相位，进一步说就是控制频率）锁相环路是一种反馈控制电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。
当输出信号频率大于输入信号频率时，反馈结构会使得输出频率下降，当输出信号频率大小于输入信号频率时，反馈结构会使得输出频率上升，直至与输入频率相等为止。
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和振荡压控器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如下图所示。
锁相环组成的原理框图2.锁相环个部件分析2.1鉴相器锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成u D（t）电压信号输出，锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如下：*说明：1.cos 为sin 的相差900的形式，影响只在于初始相位值差900，只为后边数学处理的方便而已。
2.()()i o t t θθ 对于非调制信号（调相调频）可以认为是不随t 改变的,i o θθ，按照一般理解就是初相。
模拟乘法器的输出电压u D 为：2.2.低通滤波器由于u D 中包括和频分量（u D 中第一项），用低通滤波器LF 可以将其滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C （t ）。
2.3 振荡压控器压控振荡器的压控特性下图所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压u c （t ）的变化而变化。
该特性的表达式为上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi的状态不变。
单相逆变器并联运行系统锁相环的选取原则
单相逆变器并联运行系统锁相环的选取原则以单相逆变器并联运行系统锁相环的选取原则为标题，本文将从锁相环的作用、选取原则和应注意的问题三个方面进行阐述。
一、锁相环的作用在单相逆变器并联运行系统中，锁相环起到了关键的作用。
锁相环是一种闭环控制系统，其主要功能是将输入信号与参考信号进行比较，通过调节输出信号相位，使其与参考信号保持同步。
在单相逆变器并联运行系统中，锁相环能够确保各个逆变器之间的输出信号相位一致，实现系统的并联运行。
二、选取原则1. 带宽和相位裕度：选取锁相环时，需要考虑其带宽和相位裕度。
带宽决定了锁相环的跟踪速度，相位裕度则决定了系统的稳定性。
带宽越大，系统的跟踪速度越快，但相位裕度可能会降低；相位裕度越大，系统的稳定性越好，但跟踪速度可能会降低。
因此，在选择锁相环时，需要根据系统的要求进行权衡。
2. 相位噪声：相位噪声是指锁相环输出信号相位的波动程度。
相位噪声越小，系统的输出信号相位越稳定。
因此，在选取锁相环时，需要考虑其相位噪声参数，选择具有较低相位噪声的锁相环。
3. 抗干扰能力：在实际应用中，锁相环会受到各种干扰，如电磁干扰、温度变化等。
因此，选取锁相环时需要考虑其抗干扰能力。
较好的锁相环应具有较强的抗干扰能力，能够保证在各种干扰情况下，输出信号仍能保持稳定。
4. 功耗：锁相环的功耗直接影响系统的能效。
因此，在选取锁相环时，需要考虑其功耗。
较低的功耗意味着较高的能效，有利于系统的运行。
三、应注意的问题1. 系统稳定性：选择锁相环时，需要注意系统的稳定性。
锁相环的稳定性与其带宽、相位裕度等参数有关。
如果锁相环的带宽过高或相位裕度过小，可能会导致系统的不稳定。
2. 接口匹配：锁相环的输入和输出接口需要与其他系统组件进行匹配。
在选取锁相环时，需要考虑其输入和输出接口的特性，以确保能够与其他系统组件正常连接。
3. 可调性：锁相环的可调性决定了其在不同工作条件下的适应能力。
在选取锁相环时，需要考虑其可调性，以满足不同工作条件下的要求。
锁频环锁相环的学习总结（精品）
1.叉积自动频率跟踪环( C P AF C) 提出了改进,
2.低信噪比、多普勒频移为300k H z 、频率一次变化率为30k Hz/s 频率二次变化率为3000 Hz/s
整体的环路结构如图 1 所示。
输入信号与数控振荡器混频后, 产生的信号首先要进行多采样抽取, 因为输入信号的采样频率高达数十兆, 如此高的频率给后续的数据处理增加了负担, 因此在混频后要进行D 倍的频率抽取使频率降低到信号波特率相近的水平。
高动态时, 载波的频偏很大, 因此需要先对载波进行粗略捕获, 采用FFT 经过一次捕获便可将频偏从几百千赫兹减小到几百赫兹以内,然后再利用FLL 和PLL 来实现载波的频率跟踪和相位跟踪。
环路原理:
输入信号为中频采样信号:(t)Ad(t)cos(2t )n(t)i i s f πθ=++ f i 为输入信号频率; n ( t ) 为加性高斯白噪声。
数控振荡器的输出两路正交信号分别为: I(t)cos(2t )c c f πθ=+
Q(t)sin(2t )c c f πθ=+ 积分- 清除器之后的两路信号可分别表示为
1.锁频环
F L L 通常采用自动频率跟踪环(AFC) 来实现载波频率的跟踪
常用的消除符号模糊的CPAFC方法其误差函数如下所示:
可以看出其鉴频特性当不满足条件时, 估计误差会很大, 需要经过多次调整才能使频偏减小到一个很小的值
本文提出的改进算法
计算点积和叉积之间存在如下关系
2.锁相环鉴相算法为
理论仿真。
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锁相环：跟踪、锁定交流信号的相位，还可提供有关信号的频率和幅值信息。
锁相环可以实时调整、自动控制，以保证相位的同步。
软件锁相环相比于硬件锁相具有设计方便、修改灵活的优点，不需要复杂的硬件电路即可实现相关功能。
单相软件锁相环（SPLL ）有两种设计思路。
一是基于单相变量的设计思路，而是基于两相正交变量的设计思路。
一、基于单相变量的设计思路
1、基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环
假设输入电压基波分量θcos V e i =，令鉴相器输出的电压相位为θ
，那么定义一虚拟电流θ
sin =i ，并定义两者的乘积为虚拟无功电流，取出其中的2次谐波后，即为虚拟无功功率平均值p 。
通过闭环控制使p =0，从而实现相位锁定。
结构简单，但是采用了低通滤波器，因此会有较大系统延迟；若输入信号中有谐波存在，则会在鉴相输出信号中引入响应谐波信号，使得低通滤波器难以设计实现要求。
2、基于输入信号重构的单相锁相环
采用自适应滤波理论来重构其输入信号的基频分量，相位角不需要经任何延迟，从鉴相器输出端直接得到。
具有较大好的动态快速性，但是对电网电压谐波较为敏感。
二、基于两相正交变量的单相锁相环
1、基于延迟法虚拟两相的单相锁相环
采用90°延迟模块产生与输入电网电压信号βV 相差90°的电压信号αV ，由此构成αβ静止正交坐标系。
延迟90°来获得正交电压信号，降低了系统的响应速度，对电压谐波也较为敏感，最重要的是，无法准确实现延迟90°。
2、基于微分法虚拟两相的单相锁相环
设电压U 在αβ坐标系中的投影分别为)cos(ϕωα+=t U V 和)sin(ϕωβ+=t U V ，因此αV 可由βV 通过求导变换得到，由此得到了一组正交的电压量。
这相较于传统的通过延迟环节得到电压正交量，该方法保证了两组数据的同时性，保证了实时性，提高了算法的精度。
然后将αV 和βV 通过dq 变换转化为以ω为角速度的旋转坐标系下的量d V 和q V ，变换
所使用的角度为锁相环的输出θ。
以d 轴方向为电压U 参考方向，则q V 的值反映了锁相环输出电压相位与实际电压相位的差值大小。
图中ff ω为电网电压角频率，通过PI 的调节，可以使q V 趋于零，实现锁相的效果。
此法一般适用于理想电网电压条件，如电压为非理想电压，则会存在问题。
例如，当电网电压存在阶跃是，无法构成虚拟两相；当电网电压存在谐波时，也会在输出的鉴相信号中引入相应谐波干扰信号。
3、基于Park 反变换虚拟两相的单相锁相环
将电网电压信号αV 和内部变换产生的信号βV 作为Park 变换的输入信号，为了提高系统的稳定性，将Park 变换后的d V 和q V 分别进行滤波，再将滤波后的'd V 和'q V 进行Park 反变换后以获得βV ，而'd V 作为锁相环鉴相器（PD ）的输出信号。
考虑到系统的快速响应性，其中一阶滤波器的截止频率设置为电网频率的两倍。
该方案锁相环动态响应速度较快，但对电网谐波电压还是比较敏感的。