[发明专利]基于FPGA的程控标准源的控制板及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高性能超大规模现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的程控标准源的控制板及方法，属于电力自动化技术领域。

背景技术

在电力系统中,由于大型电力启停装置、整流设备、变频装置等非线性用电设备的存在,电网的非线性(谐波) 的波动性较大,造成电力系统电压、电流波形严重畸变,使电压、电流的不平衡度加大,电能质量下降。因此,在电力系统中,仪器仪表校准和电能质量指标测试都需要专门的信号源,其主要提供2～21次高精度工频谐波检测信号。

传统的利用电子线路产生的低频谐波检测信号只有频率在1 kHz以上所产生的信号才稳定性好,如果产生几赫到几十赫的低频信号,用模拟电路就不易实现。而目前市场上,标准源的控制板多以产生复杂信号为主,其精度和实时性都不符合电力系统应用的要求。

发明内容

本发明提供一种基于FPGA的程控标准源的控制板，解决现有标准源的精度不高、计算速度较慢和实现比较复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于高性能超大规模现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的程控标准源的控制板，主要由FPGA芯片与DAC芯片组合而成，还包括RS-232收发器驱动芯片和运算放大器等辅助外部器件。

所述的程控标准源的控制板由RS-232收发器驱动芯片、FPGA芯片、DAC芯片和运算放大器构成。 RS-232收发器驱动芯片的 TTL电平发送数据、TTL电平接收数据，以及DAC芯片的控制信号、数据总线信号分别连接FPGA芯片的相应IO管脚，DAC芯片出的第一模拟电流输信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，DAC芯片输出的第二模拟电流信号连接运算放大器U4的反相输入段，运算放大器U4的输出端作为程控标准源的控制板输出的电压信号；

FPGA的程控标准源的控制板的控制方法如下：

    DAC芯片把FPGA芯片送来的标准源数据进行数模转换，得到两路模拟电流信号，第一路模拟电流信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，第二模拟电流信号送至运算放大器反相输入端，运算放大器的输出端输出的电压信号作为程控标准源的控制板输出的电压信号；

RS-232收发器驱动芯片将外部传送过来的RS-232电平参数进行电平转换，输出TTL电平参数送给FPGA芯片；

运算放大器把DAC芯片传送到的第二模拟电流信号转换为模拟电压信号，运算放大器的输出作为程控标准源的控制板输出的电压信号。

所述的FPGA芯片运行包括以下步骤：

1）设置默认基波和谐波参数；

2）接收外部通过RS-232收发器驱动芯片传送过来的程控标准源信号频率和相位信息；

3）判断波形数据和初始相位是否要改变；

如果波形数据和初始相位都不需要改变，进入5）步，如果波形数据和初始相位任意一个需要改变，不需改变的进入5）步，需要改变的执行4）步；

4）计算基波和谐波数据和初始相位值是否要改变；

5）直接频率合成（DDS ）技术利用基波频率控制字和基波相位控制字分别输出基波的频率和相位，生成基波数据；

DDS 技术利用谐波频率控制字和谐波相位控制字分别输出谐波的频率和相位，生成谐波数据；

每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M递增，相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址；波形查找表的数据存放在ROM中，内部存有一个周期的波形信号的数字幅度信息，每个查找表的地址对应于正弦波中0°～360°范围内的一个相位点；查找表把输入的址信息映射成波形的数字幅度信号；

6）基波数据和谐波数据叠加后得到标准源数据；

7）通过逻辑控制信号，把标准源数据送至DAC芯片。

本发明接收外部控制参数，并产生相应的标准源电流和电压信号作为功率放大板的输入。该程控标准源的控制板的程序均使用Verilog HDL语言在FPGA中实现，可在线编程，易于实现和升级；FPGA平行处理速度极快，提高了计算速度；运用DDS技术在一定程度上提高了计算精度；本发明实现简单、成本较低、维护方便。

附图说明  

图1基于FPGA的程控标准源的控制板示意图；

 图2信号生成流程图。

具体实施方式