具有与电网电压同步的数字式基准正弦波信号发生器

0 引言

在交流高频环节AC/AC变换系统、不间断电源系统中，要求输出电压与变换器输入电网电压同步，而变换器的输出电压跟踪给定参考正弦电压，从而需要给定参考正弦信号与变换器输入电网电压同步[1，2]。同时，在其它各种测量和控制电路中，也经常需要用正弦波作为参考信号。因此，研究与电网电压同步的基准正弦波发生器具有重要的意义。

现有的基准正弦波信号发生器主要分两类：一是采用模拟正反馈并利用振荡原理来产生基准正弦波信号的模拟方法，但这种方法存在着频率稳定性差、精度不高和对工频抑制能力差的缺点;另一种是采用EPROM 计数器生成正弦波的一个周期若干等分点的幅值的数字方法，此方法克服了第一种方法的缺点，但电路成本相对较高。

本文介绍了一种采用数字合成技术、与电网电压同步的基准正弦波信号发生器，研究了该电路的原理、关键参数设计准则并给出了试验结果。实验结果与理论分析一致。

1 基准正弦波信号发生器的原理[1][2][3]具有与电网电压同步功能的基准信号发生器的原理结构图如图1所示。主要由采样电路、正弦波/方波转换电路、锁相环电路、分频电路、阶梯波合成电路和有源滤波电路构成。

该电路的原理是先将电网电压转换成一个与其同步的电路方波信号，输入到锁相环，锁相环输出信号经n分频电路后再送回锁相环，作为基准电压方波信号的比较信号。当锁相环锁定时，锁相环输出频率为基准电压方波信号n倍的时钟信号。该时钟信号作为由4018 计数器构成的阶梯波合成器的时钟信号。此时，阶梯波合成器所有输出的阶梯波与电网电压同步，该阶梯波经过有源滤波器以后即可得到与电网电压同步的基准正弦波。

该电路的关键点主要在两个方面，一是时钟信号形成电路，另一个是阶梯波合成电路。

1.1 时钟电路

时钟形成电路如图2所示。将基准电压方波信号输入到锁相环，由锁相环输出电路所需的时钟信号。在锁相环的锁定状态下，该时钟信号频率为基准电压方波信号频率的9倍。将此时钟信号作为阶梯波合成器的时钟信号。该时钟信号经9 分频所得信号作为锁相环的比较信号。

1.2 阶梯波合成电路

阶梯波合成电路如图3所示。主要由4018计数器、权电阻和反相器构成。将时钟信号经循环移位后，由权电阻输出所需频率不同阶高的阶梯波。计数器级数越高，阶梯数越多，所得阶梯波越接近理想正弦波，但发生器体积大;若计数器级数越低，阶梯波级数越少，则发生器体积小，但所得正弦波信号波形质量差，因此，计数器级数应折中考虑(本文实验中取阶梯波的级数为18)。

2 电路关键参数的设计[1][2][3]

CD4016 是整个锁相环电路的关键器件之一，其锁定范围和外围电阻R5，R6及电容C1有很大关系。

R7和C2构成锁相环CD4016的外接低通滤波器。由CD4018 构成阶梯波合成器的权电阻的选择是能够正确生成阶梯波的关键，正确选择权电阻的阻值至关重要。

阶梯波合成器是另一关键电路。假设阶梯波合成器输出阶梯波的阶数为2N，那么阶梯波合成器的输入时钟频率fs=fj×2N(fj是基准电压正弦波的频率)。

阶梯波合成器权电阻大小不同，则阶梯波的阶高不同，为使基准正弦波的THD小，必须设置合适的权电阻使阶梯波的谐波含量小。定义Um 为基准正弦波峰值，为使阶梯波谐波含量较小，阶梯波各阶电压值应等于正弦波在此阶段内的平均值，即

权电阻应满足

3 实验结果

采用该方法产生了400 Hz 与电网电压同步的基准正弦波信号。图4为实验结果波形图。实验结果表明采用该方法生成的单相正弦波，具有频率精度高、波形失真小、幅值稳定且连续可调和与电网电压同步且不受电网电压干扰等优点，且电路结构简单实用，是交流高频环节AC/AC 变换系统、不间断电源系统中以及各种测量和控制电路中理想的基准正弦信号发生器。