单相正弦波变频电源设计

孙云龙

(淮安信息职业技术学院电子工程系，江苏淮安223003)

0 引言

正弦波脉宽调制(SPWM)技术是目前应用最为广泛的逆变用PWM技术，本文提出一种不使用生成SPWM信号的专用芯片，采用基于SHM1150II芯片进行功放电路的设计，利用STC单片机进行处理，进而实现单相正弦波变频电源的设计方案。

1 单相正弦波变频电源

该变频电源的供电电源为±55V蓄电池，整体结构由正弦信号发生器电路、功率放大电路、过流保护电路、控制电路、显示电路、A/D转换电路和D/A转换电路组成，系统设计框图如图1所示。

1.1 正弦信号发生器设计

此系统设计中，控制正弦波的电压频率可调范围在20Hz～100Hz之间，单片机定时器控制D/A0832输出的电压值和时间，D/A输出的电压值是通过查正弦数据表，频率可调是通过temp=65536－24000000/256/FREQ计算值作为定时器的初值，幅度可调是通过改变DAC0832的基准电压，采用运算放大器LM358将DAC0832的电流输出转换为电压输出。为了实现振荡频率连续可调，通过按键输入FREQ的值来改变定时时间，进而改变输出频率，使输出可调频率正弦波信号更加稳定，带负载能力更强，输出电压失真更小。

1.2 功率放大电路设计

系统提出一种不使用生成SPWM信号的专用芯片，采用基于SHM1150II芯片进行功放电路的设计，利用STC单片机进行处理，进而实现了单相正弦波变频电源的设计。SHM1150II芯片电源电压为±45V(max=±55V)，额定输出功率为2*50W，频率响应为20Hz～50Hz，结温为150℃，系统设计根据其功耗、结热、热阻选取了适当大小的散热片进行安装，设计了一种具有频响宽、信号失真小等优点的功放电路。

1.3 过流保护电路设计

电流通过6瓦/1欧姆的电阻采样，送到运放LM358，进行半波整流放大、阻容滤波后送给A/D转换，单片机根据电流的大小在数码管上进行显示，当显示的电流值大于1.5A时，继电器吸合，漏电保护器动作，实现过流保护。

图1 系统设计框图

1.4 控制电路设计

系统设置有四个按键，分别为设置键、移位键、加1键和运行键，并配有相应的指示灯。测定频率时，相应的频率指示灯点亮，测定电压时，相应的电压指示灯点亮;处在设置状态时(设置状态灯点亮状态)，移位键和加1键有效，用移位键来选定要显示数值数码管，用加1键来控制对应数码管上数字量，按下运行键，即处在运行状态时(运行指示灯点亮状态)，移位键和加1键无效，通过示波器观察频率或电压值。

按键的使用具体安排如下所述:

1#键S1实现数据的输入，相应的数码管小数点点亮，该键称为“设置键”;

2#键S2实现对小数点点亮的数码管上欲修改数据的进行移位，被修改的那一位数码管小数点呈点亮状态，该键称为“移位键”;

3#键S3实现对已经移位到的LED数码管显示器上的数据加1，当加到9时，若再按该键则变为0。被加的那一位LED区别于其他LED为“闪烁”。该键配合移位键可实现对4个LED数码管显示器输入任意的数据，该键称为“加1键”;

4#键S4实现程序的运行，配有相应的指示灯，该键称为“运行键”。

1.5 显示电路设计

由于系统显示信息量少，数码管显示驱动简单，故采用4位共阴极LED数码管进行静态显示，单片机外接4个每秒传输1兆bit数据的HEF4094移位寄存器(每个对应1个LED数码管)来控制数码管，通过串行口工作在方式0，把数据先送至第一个数码管，依次向后传，直到一次(四个数据一组)传输结束，显示产生的频率和电压值，键盘和显示电路如图2所示。该变频电源可以显示频率值和电压值，同时启用定时/计数器1配合工作，把0～359度的正弦波信号对应值通过查表计算求得。

定时时间 =1/设定值(赫兹)*1000000(微秒)/256(微秒)。

此外系统中还设置有四个LED指示灯，以表明当前所处的状态。如:

(1)运行状态指示灯;

(2)设置状态指示灯;

(3)频率参数输入(或频率参数显示)指示灯;

(4)电压参数输入(或电压参数显示)指示灯。

1.6 A/D转换电路设计

系统采用的ADC0832是8位、双通道逐次逼近型A/D转换芯片，通过内部多路器来控制选择通道，处理器的控制命令通过DI引脚输入，输入配置可在多路器寻址时序中进行。多路器地址可通过DI端移入转换器。多路器地址选择模拟输入通道可决定输入是单端输入还是差分输入。在选择差分输入方式时，极性也可以选择。一对输入通道的两个输入端的任何一个都可以作为正极或负极。通常ADC0832在输出以最高位(MSB)开头的数据流后，会以最低位(LSB)开头重新输出一遍。因此，编程时要发两轮脉冲，第一轮脉冲就已取出了从高位到低位的全部数据。若不要从低位到高位的相同数据，也要发一轮8个脉冲将ADC0832寄存器中的数据移出。

图2 键盘和显示电路图

单片机对ADC0832的控制原理:正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是 CS、CLK、D0、DI。但由于 D0 端与 DI端在通信时并未同时有效，并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将D0和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时，其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和D0/DI的电平可任意设置。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束，此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，D0/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示有起始信号，在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。单片机以P2.0，P2.1，P2.2提供ADC0832所需的信号片选端、时钟端、设置和数据输入端的控制信号。

2 测量结果

本设计在Proteus软件下进行了仿真与测试，测量结果如下:

(1)输出电压频率范围和电压有效值测试

测试方法:采用万用表测量负载端的电压有效值，用示波器测量单相正弦波的频率，实验数据记录如表1所示。

表1 输出频率范围为20Hz～100Hz变化时，电压有效值测量数据

(2)输入电压为198V～242V，负载电流有效值0.5A～1A时，输出电压稳定在15V的误差测试及变频电源功率测量。

测试方法:空载状态下，通过调压器改变输入电压，用数字万用表测量，选取测试用输入电压，接通电源，接入数字万用表，从而读取输出电压有效值和负载电流有效值，计算误差，实验数据记录如表2所示。

表2 电压稳定在15V误差数据及功率记录

3 结束语

经测试分析，该变频电源的频率测量范围为:1Hz～200Hz，在该范围内波形能够稳定输出;输出电压有效值为15V～36V可调;当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值保持在15V，误差为2.1%;具有过流保护(输出电流有效值达1.5A时动作)，保护时自动切断输入交流电源;系统具备测量显示功能。由于单片机留有空闲的I/O口，因此可以进一步对系统的功能进行扩展，比如加入波形的打印功能或者加入语音播报的功能等，使得系统更趋于智能化、人性化。

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