基于FPGA 非正弦波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)

楊盼盼，李華偉

（北京交通大學(xué) 北京100044）

隨著直流輸電技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，高壓電纜線路和補(bǔ)償電容的增多，電力系統(tǒng)中的諧波分量將大大增加，它給電力設(shè)備和弱電系統(tǒng)帶來了諧波污染[1]，并且電力電子裝置的日益增多，使電網(wǎng)中的高次諧波愈來愈嚴(yán)重。 因此，檢驗(yàn)諧波控制設(shè)備的性能， 或者測(cè)試負(fù)載設(shè)備在收到擾動(dòng)時(shí)的工作情況等，需要一些專門的諧波發(fā)生器來產(chǎn)生所需的諧波[2]。 目前設(shè)計(jì)信號(hào)波形發(fā)生器的方法主要有3 種[3]：傳統(tǒng)的直接頻率合成技能（DS），鎖相環(huán)式頻率合成器（PLL），直接數(shù)字式合成器（DDS）。 文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)了基于FPGA LPM 多功能信號(hào)發(fā)生器，其產(chǎn)生的波形為鋸齒波，三角波，階梯波和方波等規(guī)則波形，其波形數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)表格輸入，對(duì)于復(fù)雜的畸變波形信號(hào)的產(chǎn)生有很大的局限性。

以上信號(hào)發(fā)生器和一些常用的函數(shù)發(fā)生器都只能產(chǎn)生常用的正弦波、方波和鋸齒波等常規(guī)波形，作為電路的激勵(lì)源，能滿足一般的實(shí)驗(yàn)和研究的需要，不能滿足檢驗(yàn)諧波控制設(shè)備的需要，因此文中提出了一種基于FPGA 中LPM 的畸變波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)對(duì)保證今后電力系統(tǒng)諧波的檢測(cè)與研究，具有十分重要的技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 電路設(shè)計(jì)原理

LPM 是FPGA 中的參數(shù)可設(shè)置模塊庫，Altera 提供的可參數(shù)化宏功能模塊是基于Altera 器件的結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。QuartusII 中含有功能強(qiáng)大的LPM_ROM 模塊。 在波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，在ROM 中儲(chǔ)存有數(shù)據(jù)，改變地址，就可以讀出對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)， 改變地址的變化頻率， 通過建立參數(shù)化的LPM_ROM 并存入所需要額波形數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

圖1 所示的畸變波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)由4 個(gè)部分組成：FPGA 模塊、8 位DA 芯片、二階低通濾波器、幅度調(diào)節(jié)器。FPGA 采用EP4CE30F23C8N，頂層singal.vhdl 在FPGA 中實(shí)現(xiàn)，包含2 個(gè)部分：一是ROM 的地址信號(hào)發(fā)生器，由6 位計(jì)數(shù)器擔(dān)任；二是一個(gè)諧波信號(hào)數(shù)據(jù)ROM，由LPM_ROM模塊構(gòu)成。LPM_ROM 底層是FPGA 中的EAB、ESB 或M4K等模塊。 地址發(fā)生器的時(shí)鐘CLK 的輸入頻率f0與每周期的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)（選擇512 點(diǎn)）得出D/A 輸出的頻率f 的關(guān)系是：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

模擬輸出硬件電路圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 AD9708 電路圖Fig. 2 Circuit of the AD9708

圖3 AD8065 電路圖Fig. 3 Circuit of the AD8065

該模擬端硬件電路由電源模塊，高速DA9708 芯片、截止頻率為1 kHz 的二階低通濾波器、正負(fù)5 V 的幅度調(diào)節(jié)電路構(gòu)成。 DA9708 采用單電源供電的低功耗電流輸出型高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度高達(dá)125MSPS，建立時(shí)間不大于35 ns，轉(zhuǎn)換精度為1/4LSB，內(nèi)置1.2 V 參考電壓，輸出端采用查分電流輸出。

3.3 V 和負(fù)5 V 電源模塊如圖4 和圖5 所示， 其分別采用LM1117 和MC34063 電源芯片，LM1117 提供電流限制和熱保護(hù)，芯片電路包含1 個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，輸出端需要一個(gè)至少10 μF 的鉭電容可以改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

AD9708 芯片差分輸出以后，為了防止噪聲干擾，電路中接入了二階低通濾波器，截止頻率為1 kHz，其Multisium 仿真電路如圖6 所示。

圖4 3.3V 電源模塊硬件電路圖Fig. 4 Circuit of 3.3V power modules

圖5 負(fù)5V 電源模塊硬件電路圖Fig. 5 Circuit of －5V power modules

頻率響應(yīng)如圖7 所示，由圖7 可知，其截止頻率為1 kHz。

圖6 二階低通濾波器仿真電路圖Fig. 6 Circuit simulation of Second-order low-pass filter

濾波器之后， 使用了2 片高性能145 MHz 帶寬的運(yùn)放AD8065，實(shí)現(xiàn)差分變單端，以及幅度調(diào)節(jié)功能，是整個(gè)電路性能得到而最大限度的提升。 幅度調(diào)節(jié)， 使用的是5K 的電位器，最終的輸出范圍－5～5 V（10 Vpp）。

圖7 頻率響應(yīng)圖Fig. 7 Graph of the frequency response

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig. 8 Schematic diagram of the software test system

在軟件設(shè)計(jì)中，由MATLAB 生成畸變波形數(shù)據(jù)，在文檔編輯器中生成LPM 可識(shí)別的mif 文件，然后導(dǎo)入LPM 模塊，在FPGA 運(yùn)行過程中，時(shí)鐘設(shè)定為40 MHz，并且對(duì)LPM 模塊進(jìn)行查表法輸出。

3.2 MATLAB 生成諧波波形數(shù)據(jù)文件

電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的供電電壓波形為工頻正弦波形，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

以含1、3、5 次諧波的畸變波形為例的表達(dá)式為：

U sin（ωt+α）項(xiàng)稱為基波，其周期與原畸變波形的周期相同，其它各相均為諧波。 由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，所以U sin（3ωt+α）項(xiàng)稱為三次諧波，U sin（5ωt+α）項(xiàng)稱為五次諧波。在matlab 仿真中的含1，3，5 次諧波的畸變波形如圖9 所示，并產(chǎn)生畸變波形數(shù)據(jù)。

圖9 含1、3、5 次諧波的畸變波形圖Fig. 9 The chart of distortion waveform with 1st，3rd， 5th harmonics

Matlab 生成波形數(shù)據(jù)的部分程序?yàn)椋?/p>

index = linspace（0，2*pi，2^9）；

cos_value =sin （index）+（1/3）*sin （3*index）+（1/5）*sin（5*index） ；

cos_value = cos_value * （2^7 -1 ）；

cos_value = fix（cos_value）；

for i=1:512

cos_value（i）=cos_value（i）+128；

end

3.3 定制LPM_ROM 初始化數(shù)據(jù)文件

QuartusII 能接受的LPM_ROM 中的初始化數(shù)據(jù)文件的格 式 有 2 種：Memory Initialization File （.mif） 格 式 和Hexadecimal（Intel-Format）File（.hex）格式，利用QuartusII 的Text File 編輯， 以后綴名mif 格式存盤， 便可得到Memory Initializationg File 格式的文件[6]。 本設(shè)計(jì)采用512 點(diǎn)諧波波形數(shù)據(jù)[7]，將MATLAB 生成的512 點(diǎn)波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入QuartusII中。

生成mif 文件的部分程序?yàn)椋?/p>

WIDTH=8；

DEPTH=512；

ADDRESS_RADIX=UNS；

DATA_RADIX=UNS；

CONTENT BEGIN

0:80；

1:82；

2:84；

3:86；

....（數(shù)據(jù)略去）

END；

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

對(duì)設(shè)計(jì)好的電路板進(jìn)行編程后，通過FPGA 板中JTAG 仿真器把程序加載到系統(tǒng)中運(yùn)行，用TEK 示波器進(jìn)行測(cè)量[8]得出了具體變波形圖， 圖10 和圖11 列出了 含3，5，7 次諧波的畸變波形信號(hào)，并通過MATLAB 仿真與輸出波形進(jìn)行了對(duì)比，其中，左側(cè)為示波器實(shí)際測(cè)量波形，右側(cè)為MATLAB 仿真波形。

圖10 含3，5，7 次諧波的畸變波形Fig. 10 The chart of distortion waveform with 3rd，5th，7th harmonics

5 結(jié) 論

圖11 含3，5，7 次諧波MATLAB 波形Fig. 11 The chart of distortion waveform with 3rd，5th，7th harmonics in matlab

該系統(tǒng)采用MATLAB 生成畸變波形數(shù)據(jù)以及基于FPGA 中的LPM 模塊系統(tǒng)對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過硬件電路對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換輸出[9]，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形和MATLAB 仿真波形，得出了系統(tǒng)產(chǎn)生的波形具有了諧波信號(hào)的特征，并且輸出波形平滑穩(wěn)定，沒有雜波，可以用于檢測(cè)諧波控制設(shè)備的性能，極大縮短了畸變波形發(fā)生器開發(fā)的周期，具有很好的應(yīng)用前景。

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