SPWM波发生器设计论文
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SP波发生器设计
彭军 王孝东 郭中洛 李尧 龚祥
摘要：本设计由模拟电路和MSP430单片机控制两部分构成。模拟电路由一片LM324四运放构成三角波发生器、比列加法器、滤波器、比较器四部分。利用MSP430G2553单片机的比较器模块设计产生SPWM波。本设计改进之处在三角波发生电路的稳压二极管的附近接一个滤波电容，降低稳压二极管所产生的噪声。
关键词：SPWM 三角波 滤波器 MSP430
1 前言
电源应用的变革确立了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）即PWM技术的重要地位，并且赋予了电子变流技术强大的生命力，产品几乎涵盖了所有的开关电源、斩波器及电流变换器等领域。始于1975年推广应用正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM 简称SPWM）以来，经多年研究发展的历程，正弦逆变技术也渐趋成熟而服务于广泛的交流应用场合，涉及民用、商用、军用及科研四大板块，人们也真实的感受到系统性能的改善、能源转换效率的提高和电磁污染的减少或净化，也为应用的持续发展奠定了坚实的基础，并且越来越多的与其他科学领域相互关联、相互交叉和相互渗透，继而应用系统逐渐朝高性能、高效率、大功率、高频化和智能化的方向发展，同时随着工程发展的日益需求，对逆变系统提出了更高的要求。
2作品简介
本系统利用LM324构成三角波发生器、比例加法器、滤波器、比较器，从而产生SPWM波。另外使用LaunchPad430单片机，在检测正弦波和三角波的参数的波形参数的基础上，也输出一个SPWMB波。
3 总体方案设计与选择
方案一：根据题目要求，使用一片LM324四运放产生SPWM波，其总体方框图如图1所示。
图 1
方案二：基于检测正弦波和三角波的波形参数的基础上，运用MSP430单片机输出SPWM波，其整体方框图如图2所示。
图 2
4 单元模块设计
4.1 使用LM324四运放设计SPWM波
4.1.1整体电路原理图
图 3 MSP430 SPWM波
4.1.2电源部分设计
该设计要求单电源供电，而LM324集成四运放的波形产生电路工作在双电源模式下，因此采用如图4所示的单电源转换为双电源电路。采用电容分压、电阻均压原理将12V电源转换为+6V和-6V双电源输出。
图 4
4.1.3三角波发生器设计
该三角波形成模块电路由方波产生电路和积分电路组成如图5所示。即将方波经过积分形成三角波。该电路采用LM324集成四运放来实现三角波形成电路。其参数计算公式如下 ：
周期：T=4C51261RRR
频率：TF1
输出电压：Uo=613.4RR (4.3V为图中稳压管的稳压值)
图 5 U1
4.1.4比例加法器设计
该电路采用LM324加法器应用模块电路设计如图6所示。其参数公式如下：
输出电压： UO=1+3//24RRR
图 6
4.1.5滤波器设计
该电路采用RC低通滤波器电路如图7，电路参数计算公式如下：
滤波截止频率： f=RC21；
参数确定：R13=320Ω，C4=1μF。
图 7
4.1.6比较器设计
该电路采用LM324电压比较应用模块电路设计（见图8）。其理论参数比较如下：
U混>U△ U5=-U(sat)
Ui=UR 转折点
U混 图 8 4.2 使用LaunchPad430单片机设计SPWM波 4.2.1Msp430G2553的管脚示意图如图9 图 9 4.2.2MSP430G2553控制理论 LaunchPad430单片机的P1.6管脚接外部的GREEN LED和数字示波器，P1.0和P1.1是外部模拟信号输入引脚，初始化程序是此灯是点亮的，当外加模拟电量P1.0大于等于P1.1的时候进入循环，灯点亮，有方波输出，当不满足条件是输出低电平。占空比取决于正玄波的电平高于三角波的时间，时间越长占空比越小反之越大（通过调节三角波电压）。 5 作品测试及分析 5.1 测试仪器 数字示波器（DS1302CA）、信号发生器(DG1022)、万用表(VC890C+)。 5.2 测试结果 5.2.1 U1~U5的测量参数（如表1） 峰峰值 频率 U1 4.12v 5.01kHz U2 200mv 500Hz U3 12.0mv 6.15kHz U4 U5 22.2mv 表 1 5.2.2 U1~U5的波形图 U1输出波形（三角波）图10 U2输出波形（正弦波）图11 图 10 图 11 U3输出波形（叠加波）图12 U4输出波形（500Hz以下）图13 图 12 图13 U5输出波形（SPWM波）图14 图14 5.2.3 MSP430产生SPWM波如图 6 结论 （1）本设计采用SPWM自然采样法，同时具有自然采样实现优点。 （2）自然采样法输出的SPWM波形之间存在脉冲宽度误差，这是采样周期的主要误差源。改进方法运用数字化自然采样法来减小脉冲宽度的误差。 （3）用MSP430单片机可实现多路SPWM波产生，不仅能满足多电平变流器所需多逻辑SPWM的要求，而且能应用于大功率、高精度、低失真逆变器中。 附录一：参考文献 1. 刘振庭主编.《模拟电子技术》[M].北京：机械工业出版社，2008. 2.秦龙编著.《MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲》[M].北京：电子工业出版社，2007.7. 3.(日)稻叶保著；关静，胡圣尧译.《模拟技术应用技巧101例》[M].北京：科学出版社，2006. 4.毛惠丰、陈增禄、任记达等SPWM数字化自然采样法的理论及脉冲误差分析[J].中国电机工程学报，2006.5 附录二：MSP430的控制程序 程序（一） #include void main( void ) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; //关看门狗 //CACTL1 = CAON +CARSEL +CAREF_1; CACTL1 = CAON; //打开比较器 //CACTL2 = P2CA0; CACTL2 = P2CA1 + P2CA0 ; //选择CA0，CA1管脚输入 P1DIR = 0X00; P1SEL |= BIT0 +BIT1; //选择P1.0 P1DIR |= BIT6; P1OUT |= BIT6; while(1) { if((CACTL2|0XFE)==0XFF) { P1OUT &=~BIT6; CACTL1 &=0XFE; } else { P1OUT |= BIT6; } } } 程序（二） #include void main( void ) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; _EINT(); //CACTL1 = CARSEL + CAON + CAREF_1 + CAIE; //使用0.25VCC做参考电压0.5VccCAREF_2 CACTL1 = CAON + CAIE; //CACTL2 = P2CA0+ CAF; CACTL2 = P2CA0 + P2CA1 + CAF; //CA1为参考电压（-端）比较器输出经过rc低通滤波器分压。 P1DIR = 0X00;//设置输入 //P1UART=~UCMODE0; P1SEL |= BIT0 +BIT1;//P1.0和P1.1为模拟通道输入 P1DIR |= BIT6; P1OUT |= BIT6; while(1) { LPM0; } } #pragma vector = COMPARATORA_VECTOR __interrupt void CA_ISR(void) { //unsigned int i; CACTL1 &= 0XFE; //清除中断标志位 P1OUT ^= BIT6; //for( i = 50000; i > 0; i--); //P1OUT |= BIT6; }
