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非正弦波形发生器的电路设计范文

时间:2022-02-18 11:46:03

非正弦波形发生器的电路设计

摘要:

文中提出了一种基于FPGA中LPM(LibraryParameterizedModules)的非正弦波形发生器的电路设计方案,并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主要用来生成和输出非正弦波形信号,由3.3V和正负5V电源模块,DA9708芯片、截止频率为1kHz的二阶低通滤波器、正负5V的幅度调节器构成。软件部分采用QuartusII进行硬件描述语言进行编程,在MATLAB中生成非正弦波形数据。通过MATLAB仿真与实验输出波形对比表明,该非正弦波形发生器的设计实现周期短、输出非正弦波形平滑稳定,达到设计要求。

关键词:

非正弦波形发生器;FPGA;LPM;DA9708

随着直流输电技术的应用发展,高压电缆线路和补偿电容的增多,电力系统中的谐波分量将大大增加,它给电力设备和弱电系统带来了谐波污染[1],并且电力电子装置的日益增多,使电网中的高次谐波愈来愈严重。因此,检验谐波控制设备的性能,或者测试负载设备在收到扰动时的工作情况等,需要一些专门的谐波发生器来产生所需的谐波[2]。目前设计信号波形发生器的方法主要有3种[3]:传统的直接频率合成技能(DS),锁相环式频率合成器(PLL),直接数字式合成器(DDS)。文献[4]中设计了基于FPGALPM多功能信号发生器,其产生的波形为锯齿波,三角波,阶梯波和方波等规则波形,其波形数据采用数据表格输入,对于复杂的畸变波形信号的产生有很大的局限性。以上信号发生器和一些常用的函数发生器都只能产生常用的正弦波、方波和锯齿波等常规波形,作为电路的激励源,能满足一般的实验和研究的需要,不能满足检验谐波控制设备的需要,因此文中提出了一种基于FPGA中LPM的畸变波形发生器的电路设计。该系统对保证今后电力系统谐波的检测与研究,具有十分重要的技术意义和经济价值。

1电路设计原理

LPM是FPGA中的参数可设置模块库,Altera提供的可参数化宏功能模块是基于Altera器件的结构做了优化设计。QuartusII中含有功能强大的LPM_ROM模块。在波形发生器的设计中,在ROM中储存有数据,改变地址,就可以读出对应地址的数据,改变地址的变化频率,通过建立参数化的LPM_ROM并存入所需要额波形数据并进行验证[5]。图1所示的畸变波形发生器的结构由4个部分组成:FPGA模块、8位DA芯片、二阶低通滤波器、幅度调节器。FPGA采用EP4CE30F23C8N,顶层singal.vhdl在FPGA中实现,包含2个部分:一是ROM的地址信号发生器,由6位计数器担任;二是一个谐波信号数据ROM,由LPM_ROM模块构成。LPM_ROM底层是FPGA中的EAB、ESB或M4K等模块。地址发生器的时钟CLK的输入频率f0与每周期的波形数据点数(选择512点)得出D/A输出的频率f的关系是。

2系统硬件设计

模拟输出硬件电路图如图2和图3所示。该模拟端硬件电路由电源模块,高速DA9708芯片、截止频率为1kHz的二阶低通滤波器、正负5V的幅度调节电路构成。DA9708采用单电源供电的低功耗电流输出型高速数模转换器,转换速度高达125MSPS,建立时间不大于35ns,转换精度为1/4LSB,内置1.2V参考电压,输出端采用查分电流输出。3.3V和负5V电源模块如图4和图5所示,其分别采用LM1117和MC34063电源芯片,LM1117提供电流限制和热保护,芯片电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内,输出端需要一个至少10μF的钽电容可以改善瞬态响应和稳定性。AD9708芯片差分输出以后,为了防止噪声干扰,电路中接入了二阶低通滤波器,截止频率为1kHz,其Multisium仿真电路如图6所示。频率响应如图7所示,由图7可知,其截止频率为1kHz。滤波器之后,使用了2片高性能145MHz带宽的运放AD8065,实现差分变单端,以及幅度调节功能,是整个电路性能得到而最大限度的提升。幅度调节,使用的是5K的电位器,最终的输出范围-5~5V(10Vpp)。

3系统软件设计

3.1系统软件结构设计系统软件设计结构图如图8所示。在软件设计中,由MATLAB生成畸变波形数据,在文档编辑器中生成LPM可识别的mif文件,然后导入LPM模块,在FPGA运行过程中,时钟设定为40MHz,并且对LPM模块进行查表法输出。

3.2MATLAB生成谐波波形数据文件电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形,数学表达式为:Usin(ωt+α)项称为基波,其周期与原畸变波形的周期相同,其它各相均为谐波。由于谐波的频率是基波频率的整数倍,所以Usin(3ωt+α)项称为三次谐波,Usin(5ωt+α)项称为五次谐波。在matlab仿真中的含1,3,5次谐波的畸变波形如图9所示,并产生畸变波形数据。

3.3定制LPM_ROM初始化数据文件QuartusII能接受的LPM_ROM中的初始化数据文件的格式有2种:MemoryInitializationFile(.mif)格式和Hexadecimal(Intel-Format)File(.hex)格式,利用QuartusII的TextFile编辑,以后缀名mif格式存盘,便可得到MemoryInitializationgFile格式的文件[6]。本设计采用512点谐波波形数据[7],将MATLAB生成的512点波形数据导入QuartusII中。

4实验对比

对设计好的电路板进行编程后,通过FPGA板中JTAG仿真器把程序加载到系统中运行,用TEK示波器进行测量[8]得出了具体变波形图,图10和图11列出了含3,5,7次谐波的畸变波形信号,并通过MATLAB仿真与输出波形进行了对比,其中,左侧为示波器实际测量波形,右侧为MATLAB仿真波形。

5结论

该系统采用MATLAB生成畸变波形数据以及基于FPGA中的LPM模块系统对波形数据进行处理,最后通过硬件电路对数字信号进行模拟转换输出[9],通过对比实验波形和MATLAB仿真波形,得出了系统产生的波形具有了谐波信号的特征,并且输出波形平滑稳定,没有杂波,可以用于检测谐波控制设备的性能,极大缩短了畸变波形发生器开发的周期,具有很好的应用前景。

参考文献:

[1]郑奎璋,谭伟,沈晓凡,等.微机型三相谐波发生装置[J].电网技术,1987(3):29-31.

[2]安刚.基于DSP的任意次谐波发生器的设计[D].哈尔滨工业大学,2008.

[3]曾菊容.基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器设计[J].现代电子技术,2010(24):98-100.

[4]徐运武,周泽湘.基于FPGALPM多功能信号发生器设计[J].电子设计工程,2011(15):179-182.

[5]权建军.FPGA中LPM_ROM及其MATLAB模拟仿真[J].兰州工业高等专科学校学报,2009(4):13-17.

[6]谢亮.基于FPGA的ROM数据定制的几种方法[J].科技广场,2008(10):160-161.

[7]张国飞,崔志胜,徐广鑫,等.基于瞬时无功功率理论的APF谐波补偿能力的仿真研究[J].陕西电力,2012(11):77-81.

[8]王文龙,张少博,陈海峰.一种试验数据处理软件设计[J].火箭推进,2012(1):76-80.

[9]胡异丁,欧进发,钟滔.基于LabVIEW的无线心率测量系统的设计[J].电子设计工程,2015(7):43-45。

作者:杨盼盼 李华伟 单位:北京交通大学

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