3）单片机输出的SPWM信号经RC滤掉载波提取低频正弦信号波，便于示波器观测单片机SPWM逻辑，具有过流保护功能，能够软件保护，硬件保护。
本系统采用PIC单片机中的16F877A为核心处理器，系统上电后，单片机利用内部的CCP模块在RC2口输出正弦信号频率从10Hz、调制度从0.68开始向上增加的SPWM波，同时液晶上显示正弦信号频率和调制度；经过一段时间后，得到正弦信号频率为50Hz、调制度为0.98的SPWM波，系统初始化结束。
SPWM信号通过死区电路、保护电路后控制光耦隔离器输出的驱动信号，进而控制逆变电路H桥的工作。
此后可根据负载的需求，用按键以10Hz或1Hz的步进值改变正弦信号的频率，用按键以0.02步进值（调制度范围为0.68~1.00）调整调制度。
使负载高效正常的工作。
本系统整机电路采用单片机16F877A做主控单元，其他部分包括整流滤波模块、逆变电路和过流检测模块、死区电路模块、保护电路模块、驱动电路模块、自举电源模块、辅助电源模块、液晶显示模块等。
系统框架如图7所示：
图7系统总框图
4.硬件设计
4.1主电路设计
图8主电路
主电路及过流检测电路的工作原理图如图8所示，包括整流滤波电路、单相全桥逆变电路和LC滤波电路。
整流滤波电路将输入的单相交流电变成直流电，再经电容的滤波形成纹波较小的直流电。
全桥逆变电路将直流电变成正弦交流电，经过LC滤波电路后得到失真很小的正弦波。
此外为了保证安全，在交流电的输入端接一5A的保险丝。
由于输入的交流电可达到220V，所以整流二极管耐压必须大于630V，滤波电容的耐压必须大于400V，整流二极管允许通过的电流应足够大；本系统选用的整流二极管为6A10，其耐压达到1000V，允许通过的最大电流为6A，基本满足要求。
场效应管IRF840属于电压型控制器件，可通过给门极相应的驱动信号来控制器件的导通与截止，内部含有体二极管，可以起到续流和反馈的作用。
电路中各场效应管的栅极控制信号和输出电压的波形如图9所示，负载为感性负载，工作时IG1和IG4的控制信号完全相同，IG2和IG3的控制信号完全相同。
IG1和IG2的通断状态互补，IG3和IG4的通断状态也互补。
电路的工作原理[2]是：
当IG1、IG4导通时，IG2、IG3截止；当IG2、IG3导通时，IG1、IG4截止，每个PWM周期中IG1、IG4与IG2、IG3交替导通截止，从而产生双极性的SPWM波。
如此通过控制开关管的工作状态，使得输出脉冲的宽度按正弦规律变化，和正弦波等效，输出即为单相双极性正弦波。
若要改变输出正弦波的大小，则只要按照同一调制率改变上述各脉冲的宽度即可。
通过对主电路待测电阻的电流检测，若出现过流故障，通过光耦三极管TLP521将检测信号传送到单片机处理，并对SPWM信号进行硬件封锁和软件封锁。
为了确保TLP521的工作电流为10mA~15mA，要使其内部三极管正常工作应接入一个10K的上拉电阻。
图9栅极控制信号和输出电压波形
图10驱动电路
4.2驱动电路设计
驱动电路的工作原理图如图10所示：
采用四路高速光耦隔离器HCPL3120来分别驱动H桥的四个MOS管及实现控制信号与主电路的IO隔离，当信号输入端QG1或QG2为低电平时，芯片内部的光耦三极管导通，6脚和7脚相接可以产生2A的电流，在此处接入下拉电阻目的是为了拉低该处电压，防止在MOS管不工作时候对应的驱动管脚悬空，从而收到其它脉冲的干扰，导致管子误触发。
此外，
起限流作用，
和二极管
是为了让启动速度慢，关断时间快，有助于保护MOS管。
4.3自举电路设计
图11自举电路
由于驱动四个MOS管工作都需要独立电源，为了不使电路结构复杂，故采用自举电路来提供。
当下管导通时，输入15V电压通过快恢复二极管、电容、下管形成回路，向相应的电容充电，电容上的电压达到充电电压；下管断开时，电容的上电压维持充电电压，负端的电位跟随下管的电压上升，自己将电位举起，这样电容上的电压就可以为上管驱动提供电源。
4.4死区电路设计
图12死区电路
为了防止上下管同时导通，必需设计死区电路来进行保护，死区电路如图12所示；单片机输出的SPWM信号，由CD4001或非门和RC延时环节构成死区时间为高电平有效的带死区信号。
单片机输出的SPWM信号分两路，一路信号经RC单边沿延迟再和输入信号或非生成信号P1，另一路信号先取反再经RC单边沿延迟后再和取反信号或非生成信号P2。
为了使上下管有足够的保护时间，信号脉冲的前后边沿死区时间要求必需大于10uS，一般取为
，根据RC延时时间计算公式
则取得
，
。
4.5硬软件保护电路设计
由于主电路出现故障时，应立即封锁SPWM控制信号来保护主电路。
故应设计一个由数字逻辑电路和手动开关相结合的保护电路。
由于主电路只有一路的过流判断，在过流时会不停的脉动，不能完全封锁SPWM控制信号，故设计时还应另加一路软件保护来同时进行信号的判断，从而让单片机来封锁SPWM控制信号。
自锁开关M为手动封锁SPWM控制信号开关，当自锁开关未按下时，控制信号输出端QG1、QG2输出为高电平，即无效信号，使主电路不工作。
此电路还有一作用是：
在系统上电时，封锁了SPWM控制信号，对主电路起到上电保护作用。
图13硬软件保护电路
5.软件设计
5.1主程序设计
图14主程序流程图
本系统主要分为两部分：
即为主程序和中断。
主程序中主要需要实现的任务有：
①程序系统的初始化；②SPWM信号的初始化，即由SPWM信号产生的正弦波的频率从10Hz逐渐增加到50Hz，调制度跟随正弦波频率从0.64逐渐增加到0.98；③根据按键来调节正弦波的频率和调制度；④计算特定频率和调制度下1/4周期正弦波的PWM信号的脉宽；⑤液晶实时显示正弦波的频率和调制度。
中断的组要任务是查PWM信号的脉宽值送入CCPR1L。
由于系统要求SPWM信号的正弦波频率为10Hz~100Hz，且可以以1Hz为步进变化；又由于受到本系统所用的PIC单片机的CCP某块寄存器及抽样次数的限制，故将10Hz~100Hz频率分为四个部分，在每个部分采用不同的抽样数，并相应的设置不同的TMR2预分配比。
程序将10Hz~100Hz频率分为10Hz~24Hz、25Hz~39Hz、40Hz~59Hz、60Hz~100Hz四个部分进行分别计算，即模块0~模块3。
主程序流程如图14所示。
5.2中断设计
图15中断程序流程
本系统中设置SPWM的频率为5kHz左右，并外接4MHz晶振，计算得指令周期即计时步阶为1μs。
PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。
中断程序流程如图15所示。
1）SPWM周期的设定由寄存器PR2设定
（PWM）周期=（PR2）×4×Tosc×（TMR2）预分频值
系统中Tosc为4MHz，为提高分辨率及满足系统要求的正弦波频率为10Hz~100Hz，当正弦波频率为10~24Hz时，TMR2预分频器设为1：
4，即T2CKPS1=0、T2CKPS0=1；当正弦波频率为25~100Hz时，TMR2预分频器设为1：
1，即T2CKPS1=0、T2CKPS0=0；
2）定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定，因为SPWM频率高，周期短，但系统软件中采用查PWM脉宽的方式来修改PWM脉宽，所用时间少，可满足一个PWM周期改变一次脉宽的要求，故在此寄存器中设置后分频为1：
1即可；
3）CCP模块的控制寄存器CCP1CON的设定。
选择CCP模块作用于PWM功能模式，即bit3：
0=11ⅹⅹ；
4）根据PWM输出信号脉宽的公式
PWM高电平（脉宽）=CCPR1L:
CCP1CON（bit5,bit4）×Tosc×（TMR2）预分频值
计算出每个PWM周期CCPR1L的值。
CCPR1L脉宽写入寄存器后，写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H，通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽；
5）寄存器TRISC对应于CCP1的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2=0。
6.系统调试
6.1SPWM信号调试
单片机输出的SPWM信号经过普通的RC滤波后的到正弦波，如图16：
其中R取为10KΩ的普通电阻、C取为104瓷片电容。
图16SPWM信号对应的正弦波
7.系统测试
7.1测试结果
在逆变器输出端接LC滤波和负载进行测试，负载为333Ω的纯阻性负载，负载两端的输出波形如图17（输入电压为150V）：
图17负载输出波形
测得的数据及根据测量数据计算所得的值如表1所示：
表1测试数据
输入电压
输出电压
输入电流
输出电流
输入功率
输出功率
效率
50.0
38.2
0.12
0.07
6.00
2.67
44.6%
75.0
57.7
0.20
0.13
15.0
7.50
50.1%
100
82.3
0.28
0.21
28.0
17.3
61.7%
125
100
0.38
0.27
47.5
27.1
56.9%
150
124
0.44
0.32
66.0
39.7
60.2%
175
146
0.52
0.41
91.0
60.1
66.0%
200
174
0.60
0.48
120
83.6
69.6%
说明：
本表为正弦信号频率为50Hz、调制度为0.98时所测结果。
由测试结果可知，负载输出波形基本为正弦波，但存在一定的失真；系统的效率在45%~70%之间，输入电压越高，效率越好。
8．结束语
本系统利用16F877A芯片的功能，基本上实现了设计的预期功能，能够较好的实现逆变电压的稳定输出，且有较好的带载能力和较高的效率。
但其效率还是不够大。
在输入电压较小时效率也较小，输入电压增大后，效率有所提高。
参考文献
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