具有與電網(wǎng)電壓同步的數(shù)字式基準(zhǔn)正弦波信號發(fā)生器

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與變換器輸入電網(wǎng)電壓同步[1，2]。同時(shí)，在其它各種測量和控制電路中，也經(jīng)常需要用正弦波作為參考信號。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產(chǎn)生基準(zhǔn)正弦波信號的模擬方法，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，輸入到鎖相環(huán)，鎖相環(huán)輸出信號經(jīng)n分頻電路后再送回鎖相環(huán)，作為基準(zhǔn)電壓方波信號的比較信號。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n倍的時(shí)鐘信號。該時(shí)鐘信號作為由4018 計(jì)數(shù)器構(gòu)成的階梯波合成器的時(shí)鐘信號。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)電壓方波信號輸入到鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)輸出電路所需的時(shí)鐘信號。在鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)下，該時(shí)鐘信號頻率為基準(zhǔn)電壓方波信號頻率的9倍。將此時(shí)鐘信號作為階梯波合成器的時(shí)鐘信號。該時(shí)鐘信號經(jīng)9 分頻所得信號作為鎖相環(huán)的比較信號。

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)器級數(shù)越低，階梯波級數(shù)越少，則發(fā)生器體積小，但所得正弦波信號波形質(zhì)量差，因此，計(jì)數(shù)器級數(shù)應(yīng)折中考慮(本文實(shí)驗(yàn)中取階梯波的級數(shù)為18)。

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