基于FPGA非正弦波形發(fā)生器的電路設計

摘要：文中提出了一種基于FPGA中LPM(Library Parameterized Modules)的非正弦波形發(fā)生器的電路設計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設計。該系統(tǒng)的硬件部分主要用來生成和輸出非正弦波形信號，由3.3 V和正負5 V電源模塊，DA9708芯片、截止頻率為1kHz的二階低通濾波器、正負5 V的幅度調(diào)節(jié)器構(gòu)成。軟件部分采用QuartusII進行硬件描述語言進行編程，在MATLAB中生成非正弦波形數(shù)據(jù)。通過MATLAB仿真與實驗輸出波形對比表明，該非正弦波形發(fā)生器的設計實現(xiàn)周期短、輸出非正弦波形平滑穩(wěn)定，達到設計要求。

關(guān)鍵詞：非正弦波形發(fā)生器;FPGA;LPM;DA9708

隨著直流輸電技術(shù)的應用發(fā)展，高壓電纜線路和補償電容的增多，電力系統(tǒng)中的諧波分量將大大增加，它給電力設備和弱電系統(tǒng)帶來了諧波污染，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重。因此，檢驗諧波控制設備的性能，或者測試負載設備在收到擾動時的工作情況等，需要一些專門的諧波發(fā)生器來產(chǎn)生所需的諧波。目前設計信號波形發(fā)生器的方法主要有3種：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)。文獻中設計了基于FPGA LPM多功能信號發(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，對于復雜的畸變波形信號的產(chǎn)生有很大的局限性。

以上信號發(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，作為電路的激勵源，能滿足一般的實驗和研究的需要，不能滿足檢驗諧波控制設備的需要，因此文中提出了一種基于FPGA中LPM的畸變波形發(fā)生器的電路設計。該系統(tǒng)對保證今后電力系統(tǒng)諧波的檢測與研究，具有十分重要的技術(shù)意義和經(jīng)濟價值。

1 電路設計原理

LPM是FPGA中的參數(shù)可設置模塊庫，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)化設計。QuartusII中含有功能強大的LPM_ROM模塊。在波形發(fā)生器的設計中，在ROM中儲存有數(shù)據(jù)，改變地址，就可以讀出對應地址的數(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)并進行驗證。

圖1所示的畸變波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)由4個部分組成：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中實現(xiàn)，包含2個部分：一是ROM的地址信號發(fā)生器，由6位計數(shù)器擔任;二是一個諧波信號數(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)生器的時鐘CLK的輸入頻率f0與每周期的波形數(shù)據(jù)點數(shù) (選擇512點)得出D/A輸出的頻率f的關(guān)系是：

2 系統(tǒng)硬件設計

模擬輸出硬件電路圖如圖2和圖3所示。

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125MSPS，建立時間不大于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，芯片電路包含1個齊納調(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)，輸出端需要一個至少10μF的鉭電容可以改善瞬態(tài)響應和穩(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。

頻率響應如圖7所示，由圖7可知，其截止頻率為1 kHz。

濾波器之后，使用了2片高性能145MHz帶寬的運放AD8065，實現(xiàn)差分變單端，以及幅度調(diào)節(jié)功能，是整個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)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)軟件設計結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

在軟件設計中，由MATLAB生成畸變波形數(shù)據(jù)，在文檔編輯器中生成LPM可識別的mif文件，然后導入LPM模塊，在FPGA運行過程中，時鐘設定為40 MHz，并且對LPM模塊進行查表法輸出。

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)學表達式為：

Usin(ωt+α)項稱為基波，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Usin(3wt+α)項稱為三次諧波，Usin(5wt+α)項稱為五次諧波。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)。

Matlab生成波形數(shù)據(jù)的部分程序為：

3.3 定制LPM_ROM初始化數(shù)據(jù)文件

QuartuslI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。本設計采用512點諧波波形數(shù)據(jù)，將MATLAB生成的512點波形數(shù)據(jù)導入QuartusII中。

生成mif文件的部分程序為：

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 實驗對比

對設計好的電路板進行編程后，通過FPGA板中JTAG仿真器把程序加載到系統(tǒng)中運行，用TEK示波器進行測量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，并通過MATLAB仿真與輸出波形進行了對比，其中，左側(cè)為示波器實際測量波形，右側(cè)為 MATLAB仿真波形。

5 結(jié)論

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)對波形數(shù)據(jù)進行處理，最后通過硬件電路對數(shù)字信號進行模擬轉(zhuǎn)換輸出，通過對比實驗波形和MATLAB仿真波形，得出了系統(tǒng)產(chǎn)生的波形具有了諧波信號的特征，并且輸出波形平滑穩(wěn)定，沒有雜波，可以用于檢測諧波控制設備的性能，極大縮短了畸變波形發(fā)生器開發(fā)的周期，具有很好的應用前景。