非正弦波形发生器的电路设计范文

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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