0 引言

在交流高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)中，要求輸出電壓與變換器輸入電網(wǎng)電壓同步，而變換器的輸出電壓跟蹤給定參考正弦電壓，從而需要給定參考正弦信號(hào)與變換器輸入電網(wǎng)電壓同步[1，2]。同時(shí)，在其它各種測(cè)量和控制電路中，也經(jīng)常需要用正弦波作為參考信號(hào)。因此，研究與電網(wǎng)電壓同步的基準(zhǔn)正弦波發(fā)生器具有重要的意義。

現(xiàn)有的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)發(fā)生器主要分兩類：一是采用模擬正反饋并利用振蕩原理來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)正弦波信號(hào)的模擬方法，但這種方法存在著頻率穩(wěn)定性差、精度不高和對(duì)工頻抑制能力差的缺點(diǎn);另一種是采用EPROM 計(jì)數(shù)器生成正弦波的一個(gè)周期若干等分點(diǎn)的幅值的數(shù)字方法，此方法克服了第一種方法的缺點(diǎn)，但電路成本相對(duì)較高。

本文介紹了一種采用數(shù)字合成技術(shù)、與電網(wǎng)電壓同步的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)發(fā)生器，研究了該電路的原理、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并給出了試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

1 基準(zhǔn)正弦波信號(hào)發(fā)生器的原理[1][2][3]具有與電網(wǎng)電壓同步功能的基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由采樣電路、正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路、鎖相環(huán)電路、分頻電路、階梯波合成電路和有源濾波電路構(gòu)成。

該電路的原理是先將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)與其同步的電路方波信號(hào)，輸入到鎖相環(huán)，鎖相環(huán)輸出信號(hào)經(jīng)n分頻電路后再送回鎖相環(huán)，作為基準(zhǔn)電壓方波信號(hào)的比較信號(hào)。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，鎖相環(huán)輸出頻率為基準(zhǔn)電壓方波信號(hào)n倍的時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)作為由4018 計(jì)數(shù)器構(gòu)成的階梯波合成器的時(shí)鐘信號(hào)。此時(shí)，階梯波合成器所有輸出的階梯波與電網(wǎng)電壓同步，該階梯波經(jīng)過(guò)有源濾波器以后即可得到與電網(wǎng)電壓同步的基準(zhǔn)正弦波。

該電路的關(guān)鍵點(diǎn)主要在兩個(gè)方面，一是時(shí)鐘信號(hào)形成電路，另一個(gè)是階梯波合成電路。

1.1 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘形成電路如圖2所示。將基準(zhǔn)電壓方波信號(hào)輸入到鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)輸出電路所需的時(shí)鐘信號(hào)。在鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)下，該時(shí)鐘信號(hào)頻率為基準(zhǔn)電壓方波信號(hào)頻率的9倍。將此時(shí)鐘信號(hào)作為階梯波合成器的時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)9 分頻所得信號(hào)作為鎖相環(huán)的比較信號(hào)。

1.2 階梯波合成電路

階梯波合成電路如圖3所示。主要由4018計(jì)數(shù)器、權(quán)電阻和反相器構(gòu)成。將時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)循環(huán)移位后，由權(quán)電阻輸出所需頻率不同階高的階梯波。計(jì)數(shù)器級(jí)數(shù)越高，階梯數(shù)越多，所得階梯波越接近理想正弦波，但發(fā)生器體積大;若計(jì)數(shù)器級(jí)數(shù)越低，階梯波級(jí)數(shù)越少，則發(fā)生器體積小，但所得正弦波信號(hào)波形質(zhì)量差，因此，計(jì)數(shù)器級(jí)數(shù)應(yīng)折中考慮(本文實(shí)驗(yàn)中取階梯波的級(jí)數(shù)為18)。

2 電路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)[1][2][3]

CD4016 是整個(gè)鎖相環(huán)電路的關(guān)鍵器件之一，其鎖定范圍和外圍電阻R5，R6及電容C1有很大關(guān)系。

R7和C2構(gòu)成鎖相環(huán)CD4016的外接低通濾波器。由CD4018 構(gòu)成階梯波合成器的權(quán)電阻的選擇是能夠正確生成階梯波的關(guān)鍵，正確選擇權(quán)電阻的阻值至關(guān)重要。

階梯波合成器是另一關(guān)鍵電路。假設(shè)階梯波合成器輸出階梯波的階數(shù)為2N，那么階梯波合成器的輸入時(shí)鐘頻率fs=fj×2N(fj是基準(zhǔn)電壓正弦波的頻率)。

階梯波合成器權(quán)電阻大小不同，則階梯波的階高不同，為使基準(zhǔn)正弦波的THD小，必須設(shè)置合適的權(quán)電阻使階梯波的諧波含量小。定義Um 為基準(zhǔn)正弦波峰值，為使階梯波諧波含量較小，階梯波各階電壓值應(yīng)等于正弦波在此階段內(nèi)的平均值，即

權(quán)電阻應(yīng)滿足

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用該方法產(chǎn)生了400 Hz 與電網(wǎng)電壓同步的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)。圖4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該方法生成的單相正弦波，具有頻率精度高、波形失真小、幅值穩(wěn)定且連續(xù)可調(diào)和與電網(wǎng)電壓同步且不受電網(wǎng)電壓干擾等優(yōu)點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，是交流高頻環(huán)節(jié)AC/AC 變換系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)中以及各種測(cè)量和控制電路中理想的基準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生器。