介紹了電力系統(tǒng)參數(shù)交流采樣的設計思想，對頻率跟蹤電路進行了分析，提出了由鎖相環(huán)CD4046和AD7865構(gòu)成的硬件解決方法，并給出了由CD4046構(gòu)成的頻率跟蹤電路、信號調(diào)理電路以及AD7865與TMS320LF2407的接口設計電路，解決了電力系統(tǒng)中多路電壓、多路電流的交流采樣問題，保證電網(wǎng)頻率變化時采樣數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。該采樣算法可以應用于多種場合，具有一定的實用和推廣價值。

　　1 交流采樣的設計思想

　　若將電壓有效值公式：

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　　離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式(1)變?yōu)椋?/p>

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　　式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔;um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值;N為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數(shù)△T，考慮到N=T/△T，則有：

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　　這就是根據(jù)一個周期內(nèi)各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公式。同樣，電流有效值計算公式：

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　　計算一相有功功率的公式：

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　　式中：im和um為同一時刻的電流和電壓采樣值。

　　功率因數(shù)為：

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　　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。

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　　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。

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　　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。