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摘 要：本文介绍了一种基于利用STM8内部资源实现VCO数字锁相方法。通过STM8单片机内部定时器定时中断，对交流输入信号源与参考信号进行比较，并将该误差值进行PID锁相运算，从而达到VCO锁相的目的。
关键词：VCO；交流锁相；单片机
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0125-02
引 言
在电力控制设备运行中，控制设备往往需要对电网的电能参数进行实时采样信号处理分析及计算，再根据电能参数值进行相应功能块实现控制，从而达到自动控制目的。
当前单片机对电能参数的采样技术可以分为直流采样、交流采样两大类。直流采样是把交流信号滤波整流成直流信号才输入给单片机，这种方法存在误差大、响应速度慢等缺陷。交流采样直接将信号无损输入给单片机，最大限度地保留了交流信号的实时性、完整性。交流采样技术又可以细分为交流同步采样、交流非同步采样，交流同步采样也称为交流跟踪采样，即采样频率始终与输入实时交流信号保持固定比例关系。交流非同步采样也称为交流异步采样或交流定时采样，即采样频率始终保持固定值，该值不随输入交流信号改变而改变。交流同步采样以其精度高、响应快、稳定好等优势逐步成为交流采样处理的主流趋势。交流同步采样必须要对交流信号进行实时跟踪锁相，本文采用STM8单片机作为单片机，通过STM8内部硬件寄存器对交流信号进行两种不同方式的实时同步跟踪实现。
1 VCO锁相原理
VCO锁相原理如图1所示，VCO锁相是一个负反馈单元环路的闭环控制系统。鉴相器PD对输入信号和反馈单元信号进行比较，产生一个误差信号，该误差信号输入到低通滤波器LPF进行系统校正，校正后的信号再输入到压控振荡器VCO进行控制处理，使得输出信号与输入信号一致，从而实现锁相目的。
2 VCO锁相的实现
STM8实现交流锁相是在定时器里面实现，实现流程如图2所示。STM8启动后初始化锁相环的参考基准值REF，接着初始化交流输入信号源SAM，最后初始化TIM2定时器做锁相环处理，由于国内电网频率为50Hz，因此这里配置的TIM2起始中断可以为20ms每次。当STM8的TIM2发生中断时，读取输入信号源的信号值SAM，SAM与参考基准值REF进行比较，产生一个误差值ERR，该误差值通过PID校正计算进而产生响应的校正值Uk。这时就可以计算出TIM2定时器下一中断时间的中断值MR。如果PID选取合适，那么TIM2定时器每次中断执行将使得参考值逐步趋近于输入信号源，并最终达到同步锁相的目的。
3 交流锁相的具体实现方法
电网电能信号一般都是50Hz正弦波形强电范畴，STM8单片机想要获取电网信号并实现锁相，就必须设计一系列硬件采样电路将电网信号降至弱电范围，然后才能输入到STM8取样引脚。硬件电路有很多种，这里不做考究。如图3所示，WAVE1波形为经过硬件电路处理过的取样交流信号源，WAVE1波形包含了两个信息：交流信号源，过零点电压。将WAVE1波形的交流信号与零点电压经过比较器可以进一步得到交流过零脉冲信号WAVE2。对于没有ADC采样的单片机，可以通过WAVE2波形进行锁相实现。由于STM8单片机内部包含了ADC采样和引脚中断，因此这里拟分为两种方式来实现锁相。
3.1 交流信号的锁相实现
STM8单片机内部包含ADC1和ADC2，均是10位逐次比较型模拟数字转换器，支持单次和连续的转换模式。STM8的ADC在单次采样中需要延迟等待转换时间，这势必对锁相过程产生影响，因此这里采用的是连续转换模式的ADC。锁相实现流程为：ADC2采样过零电压，作为参考值REF。ADC1采样实时的交流信号，作为信号源SAM，通过两者采样值的比较产生误差值，并计算校正值，根据校正值设置TIM2的MR值。TIM2逐次迭代后，将能够实现实时锁相的目的。
3.2 交流过零脉冲信号的锁相实现
通过交流过零脉冲信号实现锁相的思路是：如图3所示，假定定时器TIM2产生待同步的内部中断信号WAVE3，通过内部中断信号与实际的交流过零脉冲信号比较，产生反馈值FBSign，该反馈值FBSign与参考值REF保持稳态同步即可实现锁相。
实现的流程如图4所示，程序初始化时，配置交流过零脉冲信号为下降沿中断，配置TIM1为计数定时器器。当交流过零脉冲信号发生中断时，讀取当前TIM1计数器对应的TC值，记为IOTC。当TIM2定时器发生中断时，读取TIM1计数器的TC值，记为TIM1TC。IOTC与TIM1TC比较值即为反馈FBSign值。余下TIM2实现步骤与上述交流信号锁相实现类似。
4 结 语
本文利用STM8单片机内部定时器来实现对电网交流同步采样的锁相，并给出了两种具体锁相实现流程方式，较好地解决了单片机多种方式下的同步采样锁相问题。
参考文献
[1]段善旭，雄 健，康 勇，等.一种UPS的数字化锁相及旁路检测和切换控制技术[J].电工电能新技术，2004（1）：7～10.
[2]宋吉奖，牛轶霞.锁相环技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术，2000，25（3）：60～63.
[3]王福昌，鲁昆生.锁相技术[M].武汉：华中理工大学出版社，1997.
[4]宋吉江，牛轶霞，锁相环技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术，2000，25（3）：60～63.
收稿日期：2018-9-13
作者简介：周宜傧（1986-），男，广西崇左人，工程师，工学学士，主要从事电力设备研发工作。
关键词：VCO；交流锁相；单片机
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0125-02
引 言
在电力控制设备运行中，控制设备往往需要对电网的电能参数进行实时采样信号处理分析及计算，再根据电能参数值进行相应功能块实现控制，从而达到自动控制目的。
当前单片机对电能参数的采样技术可以分为直流采样、交流采样两大类。直流采样是把交流信号滤波整流成直流信号才输入给单片机，这种方法存在误差大、响应速度慢等缺陷。交流采样直接将信号无损输入给单片机，最大限度地保留了交流信号的实时性、完整性。交流采样技术又可以细分为交流同步采样、交流非同步采样，交流同步采样也称为交流跟踪采样，即采样频率始终与输入实时交流信号保持固定比例关系。交流非同步采样也称为交流异步采样或交流定时采样，即采样频率始终保持固定值，该值不随输入交流信号改变而改变。交流同步采样以其精度高、响应快、稳定好等优势逐步成为交流采样处理的主流趋势。交流同步采样必须要对交流信号进行实时跟踪锁相，本文采用STM8单片机作为单片机，通过STM8内部硬件寄存器对交流信号进行两种不同方式的实时同步跟踪实现。
1 VCO锁相原理
VCO锁相原理如图1所示，VCO锁相是一个负反馈单元环路的闭环控制系统。鉴相器PD对输入信号和反馈单元信号进行比较，产生一个误差信号，该误差信号输入到低通滤波器LPF进行系统校正，校正后的信号再输入到压控振荡器VCO进行控制处理，使得输出信号与输入信号一致，从而实现锁相目的。
2 VCO锁相的实现
STM8实现交流锁相是在定时器里面实现，实现流程如图2所示。STM8启动后初始化锁相环的参考基准值REF，接着初始化交流输入信号源SAM，最后初始化TIM2定时器做锁相环处理，由于国内电网频率为50Hz，因此这里配置的TIM2起始中断可以为20ms每次。当STM8的TIM2发生中断时，读取输入信号源的信号值SAM，SAM与参考基准值REF进行比较，产生一个误差值ERR，该误差值通过PID校正计算进而产生响应的校正值Uk。这时就可以计算出TIM2定时器下一中断时间的中断值MR。如果PID选取合适，那么TIM2定时器每次中断执行将使得参考值逐步趋近于输入信号源，并最终达到同步锁相的目的。
3 交流锁相的具体实现方法
电网电能信号一般都是50Hz正弦波形强电范畴，STM8单片机想要获取电网信号并实现锁相，就必须设计一系列硬件采样电路将电网信号降至弱电范围，然后才能输入到STM8取样引脚。硬件电路有很多种，这里不做考究。如图3所示，WAVE1波形为经过硬件电路处理过的取样交流信号源，WAVE1波形包含了两个信息：交流信号源，过零点电压。将WAVE1波形的交流信号与零点电压经过比较器可以进一步得到交流过零脉冲信号WAVE2。对于没有ADC采样的单片机，可以通过WAVE2波形进行锁相实现。由于STM8单片机内部包含了ADC采样和引脚中断，因此这里拟分为两种方式来实现锁相。
3.1 交流信号的锁相实现
STM8单片机内部包含ADC1和ADC2，均是10位逐次比较型模拟数字转换器，支持单次和连续的转换模式。STM8的ADC在单次采样中需要延迟等待转换时间，这势必对锁相过程产生影响，因此这里采用的是连续转换模式的ADC。锁相实现流程为：ADC2采样过零电压，作为参考值REF。ADC1采样实时的交流信号，作为信号源SAM，通过两者采样值的比较产生误差值，并计算校正值，根据校正值设置TIM2的MR值。TIM2逐次迭代后，将能够实现实时锁相的目的。
3.2 交流过零脉冲信号的锁相实现
通过交流过零脉冲信号实现锁相的思路是：如图3所示，假定定时器TIM2产生待同步的内部中断信号WAVE3，通过内部中断信号与实际的交流过零脉冲信号比较，产生反馈值FBSign，该反馈值FBSign与参考值REF保持稳态同步即可实现锁相。
实现的流程如图4所示，程序初始化时，配置交流过零脉冲信号为下降沿中断，配置TIM1为计数定时器器。当交流过零脉冲信号发生中断时，讀取当前TIM1计数器对应的TC值，记为IOTC。当TIM2定时器发生中断时，读取TIM1计数器的TC值，记为TIM1TC。IOTC与TIM1TC比较值即为反馈FBSign值。余下TIM2实现步骤与上述交流信号锁相实现类似。
4 结 语
本文利用STM8单片机内部定时器来实现对电网交流同步采样的锁相，并给出了两种具体锁相实现流程方式，较好地解决了单片机多种方式下的同步采样锁相问题。
参考文献
[1]段善旭，雄 健，康 勇，等.一种UPS的数字化锁相及旁路检测和切换控制技术[J].电工电能新技术，2004（1）：7～10.
[2]宋吉奖，牛轶霞.锁相环技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术，2000，25（3）：60～63.
[3]王福昌，鲁昆生.锁相技术[M].武汉：华中理工大学出版社，1997.
[4]宋吉江，牛轶霞，锁相环技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术，2000，25（3）：60～63.
收稿日期：2018-9-13
作者简介：周宜傧（1986-），男，广西崇左人，工程师，工学学士，主要从事电力设备研发工作。