1 引言
在研制AC-AC变换器、DC-AC逆变器等时，需要将正弦波基准电压信号作为输出电压的给定信号，以进行电压瞬时跟踪控制。正弦波基准电压信号的波形质量直接影响到变换器输出电压的幅值、频率及其总谐波失真（THD），因此，要求正弦波基准电压信号具有幅值和频率高度稳定、失真度小、且正弦度高等特点[1]。
利用模拟电路、数字电路或者模数电路相结合的方法都可以产生正弦波基准电压信号。本文首先介绍了几种正弦波基准电压信号的产生方法，然后对每种方法进行了实验，并给出了实验波形，最后根据实验结果，对每种方法进行了分析和比较。
2几种正弦波基准电压信号产生方法
2.1阶梯波合成法
阶梯波合成法由振荡分频电路、阶梯波合成电路和有源滤波电路三部分组成[1]。合成的阶梯波经过有源滤波电路滤波，就能输出高质量的正弦波基准电压信号。
振荡分频电路和阶梯波合成电路如图1所示。振荡分频电路由晶体振荡器（频率为3.6864MHz）和分频器CD4060组成；阶梯波合成电路由计数器CD4018、电阻R34~R42 与反相器CD4069构成。振荡分频电路用于产生计数器CD4018所需的时钟信号，阶梯波合成电路将振荡分频电路输出的时钟信号循环移位后，使得两片CD4018的9个输出端Q1~Q9的输出电平组合不同，即可得到阶梯波。
合成的阶梯波中存在谐波分量，必须将这些谐波分量滤除。该阶梯波首先通过电容隔直，消除阶梯波中的直流成分后，然后经过二阶多路反馈低通滤波电路滤波，最后输出高质量的正弦波基准电压信号。有源滤波电路如图2所示。阶梯波合成法电路结构简单、成本低、易于实现。
2.2 DAC采样法
DAC采样法利用数模转换器与EPROM或单片机、DSP等相结合的方法，构成函数信号发生器，从而产生正弦波基准电压信号。
目前，大部分是采用数模转换器与EPROM相结合的方法 [2]，该方法电路结构简单，但相位固化不易调节。而数模转换器与单片机或DSP相结合的方法易于通过程序调节相位。
本文中介绍的是数模转换器与DSP相结合的方法。选用DSP芯片TMS320F2812和数模转换芯片DAC0832进行函数信号发生器的设计。
（1）数模转换器DAC0832的特性
DAC0832是美国国家半导体公司产品，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。主要特性如下：
（a） 分辨率为8位；
（b） 电流输出，稳定时间为1ms；
（c） 有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式；
（d） 单一电源供电（+5V～+15V）。
DAC0832以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
（2）DAC采样法的硬件设计
本文中DAC0832的工作方式设置为直通方式，TMS320F2812通过GPIOB口与DAC0832直接连接，进行数据传输。具体硬件电路图如图3所示。
DAC0832中采用的是倒R-2R电阻网络，属于电流型器件，使用时需外接运算放大器，芯片中已经设置了Rfb，只要将管脚9接到运算放大器输出端即可。
（3）DAC采样法的软件设计
首先，将正弦波进行500分频离线采样，计算好其幅值后按序排成数据表存入TMS320F2812的寄存器中，然后TMS320F2812通过GPIOB口将正弦波表传给DAC0832，最后DAC0832将数字量转换成模拟量输出，从而产生正弦波基准电压信号。图4所示为DAC采样法流程图。
系统初始化包含函数声明、常量和变量的初始化、正弦表初始化和I/O口初始化。函数声明主要是声明被调用的各个功能模块函数；常量和变量的初始化主要是给出全局变量和常量的初始值；正弦表初始化便于后面程序中引用表中的数据；I/O口初始化是将GPIOB口设置为通用的数字I/O口，方向为输出。系统初始化完毕后，将指针I所对应的正弦表里的值传输到GPIOB0-GPIOB7口，再判断I值是否等于500。如果相等，则I=0，重新从正弦表的表头查表；如果不相等，将I+1重新赋给I。DAC采样法简单、易实现、且易于通过程序调节相位。
2.3 SPWM滤波法
SPWM滤波法利用单片机或DSP产生SPWM波，SPWM波经过有源滤波电路滤波，就能输出正弦波基准电压信号。 本文利用TMS320F2812的EVA模块中的定时器T1来产生SPWM波。系统程序设计包括定时器T1时钟设计、主程序设计和定时器T1比较中断子程序设计。
（1）定时器T1时钟设计
本文所使用TMS320F2812的外部晶体振荡器是20MHz,设置PLL寄存器值为m=10，则系统输出时钟SYSCLKOUT=(OSCCLK*m)/2=100MHz；设置高速预定标寄存器值n=1,则高速时钟HSPCLK=50MHz；设置T1CON的输入时钟预定标因子TPS的值p=0，则定时器GP1时钟频率为GP1CLK=50Mz；设置T1PR=1000，定时器T1计数模式采用连续增/减模式，则三角载波频率fc为50MHz/2*1000=25kHz；正弦表数组里存放1000个离散化的正弦值，每个周期内采样两次，则在引脚T1PWM输出所需的SPWM波。
（2）主程序设计
主程序设计主要功能是完成系统初始化。主程序设计流程图如图5所示。
系统初始化包含函数声明、常量和变量的初始化、正弦表初始化和寄存器初始化。其中寄存器的初始化包含中断向量表的初始化、I/O口初始化、定时器初始化以及各种中断使能。从PIE向量表中获取中断向量时，需要重新初始化PIE中断向量表；I/O口初始化是将GPIOA6口定义为T1PWM输出口；定时器初始化是对定时器T1的初始化；各种中断使能后CPU才能响应中断服务子程序。
（3）定时器T1比较中断子程序设计
定时器T1有1个计数器寄存器T1CNT、1个比较寄存器T1CMPR和1个SPWM输出引脚T1PWM。计数器寄存器T1CNT的值不断与比较寄存器T1CMPR的值进行比较，当T1CNT的值等于T1CMPR的值时，就发生了比较匹配事件，T1PWM引脚的电平会发生跳变，并且产生定时器T1比较中断。定时器T1比较中断的作用是在T1PWM输出引脚产生SPWM波。定时器T1中断服务子程序流程图如图6所示。
中断开始时先保存相关寄存器值，将i值所对应的正弦表里的值赋给比较寄存器T1CMPR，再判断i值是否等于1000。如果相等，则i=0，重新从正弦表的表头查表；如果不相等，将i+1重新赋给i。清除定时器T1比较中断标志位，响应中断任务。使能全局中断，中断结束。CPU将结束中断服务子程序，继续执行主程序。SPWM滤波法由软件控制，易于调节相位和频率。
3 实验结果与分析
对以上几种正弦波基准电压信号的产生方法进行了实验，阶梯波合成法产生的正弦波基准电压信号波形图如图7所示；DAC采样法产生的正弦波基准电压信号波形图如图8所示；SPWM滤波法产生的正弦波基准电压信号波形图如图9所示。
阶梯波合成法所应用的外围电路结构简单、稳定、易实现。由图7可以看出，所产生的正弦波光滑、幅值稳定、正弦度高，但是不易调节相位，且频率受晶体振荡器的限制，可调范围比较有限；DAC采样法所应用的外围电路结构简单，且易于调节相位。由图8可以看出，产生的正弦波电压信号有所失真，该正弦波电压信号失真主要是受数模转换器的分辨率、建立时间和参考电压等因素的影响；SPWM滤波法主要由软件控制，可调性能好。由图9可以看出，产生的正弦波电压信号幅值稳定、THD小、且易于调节相位和频率。
4 总结
正弦波基准电压信号是否可靠稳定，对AC-AC变换器、DC-AC逆变器的输出有很大的影响，因此要求正弦波基准电压信号频率稳定、THD小以及正弦度高。本文分析和比较了几种产生正弦波基准电压信号的方法。阶梯波合成法外围电路结构简单，产生的正弦波稳定，但不易调节相位；DAC采样法外围电路结构简单，且易于调节相位，但产生的正弦波信号受数模转换器的影响有所失真；SPWM滤波法由软件控制，频率和相位易于调节。 |
