摘要：在UPS不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，與外部交流電壓鎖相的50Hz正弦信號(hào)發(fā)生器是十分關(guān)鍵的一部分，本文介紹了一種利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)通過(guò)PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)此電路的方法。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 信號(hào)發(fā)生器 數(shù)字信號(hào)處理

引言

不間斷電源（UPS）通過(guò)逆變向用電設(shè)備提供純凈、穩(wěn)定的電能，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，50Hz鎖相正弦信號(hào)發(fā)生器則是其中的關(guān)鍵部分，作為系統(tǒng)輸出電壓的基準(zhǔn)，不但要求它的輸出信號(hào)頻率和幅度穩(wěn)定，還要與外部交流電的電壓相位同步。

傳統(tǒng)的交流信號(hào)發(fā)生方式采用反饋振蕩電路，利用電路的自激振蕩和選頻作用輸出正弦波，但是低頻模擬振蕩器有一個(gè)缺點(diǎn)：受電壓和溫度影響大，輸出信號(hào)的頻率和幅度穩(wěn)定度差，很難達(dá)到作為交流基準(zhǔn)的要求。本文介紹了一種利用單片機(jī)使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生50Hz交流信號(hào)的方法。

50Hz鎖相信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

該電路的核心控制器采用MicroChip公司生產(chǎn)的PIC16C73單片機(jī)，它屬于數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)的RISC精簡(jiǎn)指令單片機(jī)，只有35條指令，在使用20MHz晶振時(shí)，大部分指令（跳轉(zhuǎn)指令除外）只需要200ns執(zhí)行時(shí)間。內(nèi)部資源包括192字節(jié)的RAM，4K程序ROM，22個(gè)I/O口，此外它的周邊器件也很豐富，包括3個(gè)計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器，2路PWM（脈寬調(diào)制）模塊，2個(gè)串行接口，其中一個(gè)可以配置為I2C總線或者SPI總線，另一個(gè)為UART異步通信口，模擬接口包括5路8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換口，同時(shí)內(nèi)部還集成了上電復(fù)位、掉電復(fù)位和看門狗定時(shí)器電路，使系統(tǒng)具有較高的可靠性。

該電路由以下幾部分組成：交流電壓互感器；精密整流電路；過(guò)零比較器；低通濾波器；反相器；模擬切換開關(guān)和PIC16C73單片機(jī)。

該電路的工作原理如下：外部的220V交流電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器隔離降壓成為與外部電源同相位的低壓交流信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)精密整流電路成為正極性的半波直流電壓，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)得電壓的幅值；另一路經(jīng)過(guò)電壓過(guò)零比較器輸出交流信號(hào)的正負(fù)極性，經(jīng)過(guò)I/O口進(jìn)入單片機(jī)，這樣就可測(cè)得外部交流電壓的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，再將采集的波形數(shù)字序列經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，即可以輸出正弦波。

這個(gè)過(guò)程是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的，首先用該數(shù)字序列調(diào)制單片機(jī)內(nèi)部的PWM脈寬調(diào)制電路，使之產(chǎn)生的脈沖方波寬度正比于信號(hào)幅度，采用20MHz晶振，PWM輸出為8位分辨率時(shí)，輸出方波的最高頻率為78KHz，所以在PWM輸出端加一個(gè)積分常數(shù)很小的RC低通濾波電路就可以得到很平滑的半波輸出波形，而且低通濾波電路造成的相位延遲相對(duì)于50Hz信號(hào)很小，可以忽略不計(jì)。

該信號(hào)一路直接送到模擬開關(guān)，另一路送反相電路成為負(fù)極性的半波電壓信號(hào)，再送到模擬開關(guān)，這正、負(fù)極性兩路電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制的模擬開關(guān)切換，就輸出與外部電網(wǎng)相位同步的正弦波信號(hào)。

但是采用這種直接輸出方式產(chǎn)生的波形并不是穩(wěn)定、純凈的正弦波，由于大功率工業(yè)設(shè)備如電焊機(jī)等帶來(lái)的干擾和大量非線性感性、容性負(fù)載的影響，外部交流電壓中含有大量諧波成分，所以經(jīng)過(guò)電壓互感器采集的交流電壓信號(hào)并不是純凈的正弦波，同時(shí)由于外部電網(wǎng)的波動(dòng)，電壓信號(hào)幅值也不穩(wěn)定，所以必須經(jīng)過(guò)一定的數(shù)字信號(hào)處理，才能夠在采集的波形數(shù)據(jù)中提取出與外部電網(wǎng)相位同步、幅度穩(wěn)定的50Hz純凈正弦波數(shù)字序列。

數(shù)字信號(hào)處理的具體算法

本系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理主要完成三項(xiàng)功能，即：低通濾波，幅值補(bǔ)償，相位校正。

由于50Hz交流電網(wǎng)中不含偶次諧波（實(shí)際分量很小），主要的干擾是三