单相锁相环原理与代码实战解释

单相锁相环程序原理如下图所示

在这里插入图片描述

单相锁相环原理

锁相环（PLL）是一种常用于同步、解调和信号处理等领域的电路或数字算法，其主要作用是将一个输入信号的相位与频率与参考信号进行精确的匹配。这里我们来简单解释一下单相锁相环的原理和分析。

在单相锁相环中，输入信号为单相交流电压，锁相环的目标是输出一个与输入信号始终同步的相位角度。整个锁相环的工作原理可以简化为三个主要模块：相位检测器、低通滤波器和控制器。

相位检测器（phase detector）是锁相环中的第一个模块。它的主要作用是比较输入信号和参考信号的相位差异，并将相位差转换为电压信号。在单相锁相环中，我们可以使用倍频相位检测器（倍频锁相环），其中输入信号和参考信号是通过倍频器相乘来匹配的，这样计算相位差就变得比较容易。

低通滤波器（low-pass filter）的作用是去除相位差信号中的高频噪声成分，使锁相环的输出更加平滑。在单相锁相环中，通常使用一个简单的RC低通滤波器来实现这个功能。

控制器（controller）是锁相环中的最后一个模块。它的主要作用是根据相位差信号来调整输出信号的相位。在单相锁相环中，我们可以使用一个PID控制器来实现这个功能，它会根据相位差的大小和变化率来调整输出信号的相位，以使其与输入信号同步。

总体来说，单相锁相环的原理比较简单，但是它只能实现输入信号与参考信号之间的相位匹配，并不能对信号频率进行彻底的锁定。因此，在实际应用中，我们需要使用更加复杂的锁相环结构来实现更高精度的信号锁定。

单相锁相环程序源代码

以下是一个简单的单相锁相环程序，使用函数实现，输入电压Ui，输出相位角Sita，采样频率为20kHz。


#include <stdio.h>
#include <math.h>// Constants
const float sampling_freq = 20000.0;  // Sampling frequency in Hz
const float omega_grid = 2 * M_PI * 50.0;  // Grid frequency in rad/s (50Hz)
const float kp_pll = 10.0;  // Proportional gain for PLL
const float ki_pll = 100.0; // Integral gain for PLL
const float ts = 1.0 / sampling_freq; // Sampling time// Variables
float v_in;  // Input voltage
float theta_pll = 0.0;  // Phase angle of PLL
float sin_pll = 0.0;  // Sine component of PLL output
float cos_pll = 1.0;  // Cosine component of PLL output// Functions
void calculate_pll(void);int main()
{while (1){// Read input voltage from sensorv_in = read_voltage_S();// Calculate PLL anglecalculate_pll();// Output resultprintf("PLL angle: %.2f\n", theta_pll);}return 0;
}void calculate_pll(void)
{float v_d, v_q, theta_err;v_d = v_in;v_q = 0.0;theta_err = omega_grid * ts;theta_pll += kp_pll * theta_err + ki_pll * theta_err * ts;sin_pll = sin(theta_pll);cos_pll = cos(theta_pll);
}